FR2724946A1 - Procede de fabrication d'un acier presentant une bonne aptitude a la mise en forme et une bonne resistance a l'indentation - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une tôle en acier doux bas carbone par laminage à chaud d'une brame, puis laminage à froid de la tôle laminée à chaud, et recuit de la tôle laminée à froid dans lequel le recuit de la tôle laminée à froid est un premier recuit continu qui contrôle la teneur en carbone en solution dans l'acier et en ce qu'après ce recuit, on soumet la tôle à un second recuit à basse température qui précipite le carbone en solution sous forme de carbure de fer. L'invention a également pour objet une tôle en acier doux obtenue par ce procédé.
Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication crd'un acier doux
à bas carbone présentant une bonne aptitude à la mise en forme et une bonne résistance à l'indentation, ainsi qu'une tôle obtenue par ce procédé. Dans le domaine, par exemple de l'automobile, de l'électroménager ou de l'ameublement métallique, il est connu d'utiliser des tôles en acier doux à bas carbone obtenues par laminage à chaud d'une brame, puis laminage à froid et recuit de la bande laminée à chaud, le recuit
étant soit un recuit continu, soit un recuit base.
Lorsque l'on utilise ce type de tôle, par exemple pour faire des éléments de robe de carrosserie automobile ou de carrosserie d'appareil
électroménager, celle-ci est mise en forme par emboutissage ou par pliage.
Pendant l'opération de mise en forme, les parties non déformées conservent leur limite d'élasticité initiale Re et les parties déformées ont une
limite élastique augmentée du fait de l'écrouissage qu'elles ont subi.
Lorsque ces éléments sont mis en forme, ils sont généralement mis en peinture et subissent un traitement thermique dans le but d'effectuer la
cuisson de la peinture.
A l'issue de ce traitement thermique, la limite élastique de l'élément peut augmenter, ce qui se traduit par un durcissement important
dudit élément.
Ce phénomène de durcissement secondaire à la cuisson de la peinture est connu sous le nom de "Bake Hardening", communément appelé BH. Pour réaliser des éléments de robe de carrosserie automobile par exemple, il faut que la tôle d'acier utilisée issue de la bobine laminée à froid et recuite présente une limite d'élasticité Re la plus faible possible pour faciliter la mise en forme et il faut également que sur la pièce finie, c'est à dire après cuisson de la peinture, la limite d'élasticité Re soit elevée afin que la pièce présente une bonne résistance à l'indentation, du type gravillonnage ou marquage des surfaces par contact de petits objets (cas typique du contact de la clé autour de la serrure sur une portière automobile), et afin d'en réduire l'épaisseur et ainsi d'en réduire le poids, ce qui est un facteur très important
dans le domaine automobile.
Or on sait que l'augmentation de la limite d'élasticité des parties déformées dépend de la déformation subie par la tôle lors de sa mise en forme. Ce type d'augmentation de la limite d'élasticité est dicté par la forme de la pièce et est donc subie, il est difficile de la maîtriser sans passer
par une modification de la forme.
Il est connu pour obtenir une tôle en acier doux présentant une bonne aptitude à l'emboutissage, donc une limite d'élasticité relativement faible, et une bonne résistance à l'indentation de la pièce emboutie, donc une limite d'élasticité relativement élevée, de maximiser la propriété BH de
durcissement secondaire de l'acier à la cuisson.
Ces propriétés sont maximisées par voie métallurgique.
Une première solution pour obtenir un acier possédant une bonne propriété BH consiste à élaborer un acier calmé à l'aluminium, sans ajout de titane, ni niobium, soit en recuit continu, soit en recuit base, avec
éventuellement ajout de phosphore et/ou de manganèse et/ou de silicium.
Ce type d'acier permet une augmentation de la limite d'élasticité
dûe au BH de l'ordre de 40 MPa.
L'inconvénient de cette solution est que l'acier obtenu est un acier vieillissant, et si on désire un niveau de propriété BH plus élevé, l'acier
sera encore plus vieillissant et possédera trop de carbone en solution,.
Les caractéristiques mécaniques d'un tel acier se dégradent
donc au cours du temps, pendant le stockage en particulier.
En effet la limite d'élasticité croît, l'allongement après rupture et
le coefficient d'écrouissage décroissent.
Ainsi, pendant le stockage de la bobine, ses qualités d'emboutissage se dégradent rapidement et on peut voir apparaître un palier de limite d'élasticité avec un risque, dans ce cas, de formation de vermiculure
lors de la mise en forme.
Une seconde solution consiste à réaliser un acier IF sous
stoechiométrique en recuit continu.
Ces aciers sont élaborés par ajout de titane et/ou de niobium, qui vont précipiter avec l'azote et le carbone de l'acier, sous la forme, entre
autre, de nitrure de titane, de carbure de titane et/ou de niobium.
Le contrôle de la teneur en titane et/ou en niobium ainsi qu'en carbone et en azote permet de contrôler, lors de l'élaboration de l'acier, la
teneur en carbone restant en solution dans l'acier.
Pour obtenir la propriété BH, il est nécessaire de ne pas piéger
tout le carbone de l'acier mais une partie seulement.
En effet, si on piège la totalité du carbone contenu dans l'acier, celuici ne présente plus de carbone en solution et on obtient une tôle en
acier certes non vieillissant, mais ne présentant aucune propriété BH.
Il est donc nécessaire de laisser une petite quantité de carbone en solution qui permette un compromis vieillissement / propriété BH, ce qui
est le cas par le dosage sous stoechiométrique du titane et/ou du niobium.
L'inconvénient de cette solution réside dans sa faisabilité.
Il est en effet difficile et complexe de contrôler avec précision les teneurs en titane, niobium, carbone, azote dans l'acier pour doser correctement le carbone en solution, la précision requise pour obtenir reffet
recherché étant de l'ordre du ppm (partie par million).
Du fait de cette difficulté, on obtient très souvent un acier dont la
propriété BH est faible afin de garantir un niveau de vieillissement faible.
Une troisième solution consiste à élaborer l'acier par voie dite IF
CHRX.
Ces aciers sont élaborés par ajout de titane et/ou de niobium, en quantités telles qu'elles permettent de piéger la totalité de l'azote et du carbone en solution. Cet acier est ensuite recuit en continu à une température supérieure à 850 C et refroidit très rapidement à une vitesse supérieure à
80 C par seconde.
Ainsi lors de l'élaboration de l'acier, la totalité du carbone est piégée par le niobium et/ou le titane. Pendant le recuit à très haute température, une partie du carbone piégé se redissout et le refroidissement
très rapide évite la reprécipitation du carbone.
L'inconvénient de cette solution est d'une part le contrôle de la teneur en titane, niobium, carbone et azote qui, bien que moins contraignant que dans la solution précédente, reste toutefois complexe, et dans le coût et la faisabilité du recuit et du refroidissement rapide nécessaire pour obtenir
l'effet recherché.
Cette solution conduit également souvent à un niveau moyen de
la propriété BH de l'acier en vue de s'affranchir du problème de vieillissement.
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un acier doux permettant de s'affranchir de ces inconvénients et d'améliorer le
compromis vieillissement / propriété BH.
La présente invention concemrne plus particulièrement un procédé de fabrication d'une tôle en acier doux bas carbone par laminage à chaud d'une brame, puis laminage à froid de la tôle laminée à chaud, et recuit de la tôle laminée à froid, caractérisé en ce que le recuit de la tôle laminée à froid est un recuit de recristallisation et de mise en solution du carbone contenu dans l'acier, suivi d'un éventuel palier de survieillissement tel que la teneur en carbone dissout soit supérieure à une valeur déterminée, et en ce que après ce recuit, ou soumet la tôle à un second recuit à basse température qui précipite le carbone en solution sous forme de carbure de fer, et on
effectue une opération d'écrouissage par laminage léger, appelée "skinpass".
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, - La teneur en carbone dissout dans l'acier à l'issue du premier recuit est supérieure à 6 ppm, de préférence supérieure à 10 ppm, - le recuit de la tôle laminée à froid s'effectue à une température comprise entre 750 et 900 C pendant une durée déterminée, suivi d'un palier de survieillissement dont les conditions de température et de recuit sont comprises dans le domaine représenté sur un graphique durée / température par le rectangle défini par les abscisses 0 et 15 mn et les ordonnés 0 et 900 C, excepté la portion A délimitée par les points A1(15mn,440 C), A2(40", 440 C), A3(40",350 C), A4(15 mn,250 C), la courbe reliant les points A3 et A4 étant curviligne, - la vitesse de refroidissement de la tôle pour passer de la température de recuit à celle du palier de refroidissement et après le palier de refroidissement est comprise entre 1 et 1000 C par seconde, - les conditions de température et de durée du second recuit à basse température sont comprises dans le domaine représenté sur un graphique durée / température par la portion B délimitée par les points B1(1h,50 C); B2(3',170 C), B3(20h,170 C), B4(48h,120 C), B5(100h, 120 C), B6(100h, 40 C), B1, -le second recuit s'effectue à une température de l'ordre de C pendant une durée longue de l'ordre de 25 heures, - I'acier doux bas carbone est un acier ayant la composition suivante en millièmes de pourcent pondéral: carbone 1 à 100 phosphore 0 à 100 aluminium 10 à 100 manganèse 0 à 1000 azote I à 10 silicium 0 à 1000 soufre 0 à 25,
le reste étant du fer et des résiduels issus du procédé d'élaboration.
La présente invention concerne également une tôle en acier
doux à bas carbone obtenue selon ce procédé.
Les caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la
description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en
référence aux dessins annexés dans lesquels: - La figure 1 représente le cycle du premier recuit de la tôle
laminée à froid.
- La figure 2 représente le domaine du palier de survieillissement. - La figure 3 représente le domaine du second recuit à basse température. -Les figures 4 et 5 représentent l'augmentation de la limite
d'élasticité d'un acier doux inhérente à sa propriété BH.
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une tôle en acier doux bas carbone par laminage à chaud d'une brame, puis laminage à
froid de la tôle laminée à chaud, et recuit de la tôle laminée à froid.
Pour que cette tôle présente de bonnes caractéristiques en propriété BH et en propriété de vieillissement, I'invention consiste à effectuer après le laminage à froid un premier recuit continu qui permet de mettre en solution le carbone contenu dans l'acier suivi d'un éventuel palier de survieillissement qui reprécipite le carbone en solution tout en limitant la baisse de la teneur en carbone en solution dans l'acier à 6 ppm, et à effectuer ensuite un second recuit à basse température qui précipite le carbone en solution sous forme de carbure de fer, et on effectue une opération
d'écrouissage par laminage léger appelée "skin-pass".
L'acier doux bas carbone est un acier ayant la composition suivante en millièmes de pourcent pondérai: carbone 1 à 100 phosphore 0 à 100 aluminium 10 à 100 manganèse 0 à 1000 azote 1 à 10 silicium 0 à 1000 soufre 0 à 25,
le reste étant du fer et des résiduels issus du procédé d'élaboration.
On peut également utiliser un acier ayant une composition semblable à celle décrite ci-dessus avec en plus ajout de titane et/ou de niobium dans le but de piéger une partie de l'azote et du carbone par voie classique, à condition de laisser une quantité de carbone non combiné
suffisante pour former les carbures de fer.
Comme on le voit à la figure 1 le cycle du premier recuit consiste à élever la température de la tôle à une température tl comprise entre 750 et 900 C et à maintenir cette température pendant une durée de 30 secondes à minutes, puis à refroidir la tôle jusqu'à une température t2 et à maintenir cette température t2 pendant un temps déterminé pour réaliser un palier de survieillissement. Le palier de survieillissement n'est pas obligatoirement isotherme, mais, comme représenté à la Fig. 1, on peut admettre une
évolution de la température pendant ce palier.
Les conditions de température t2 et de durée du palier de survieillissement sont, comme on le voit à la figure 2, comprises dans le domaine non hachuré représenté sur un graphique durée / température par le rectangle défini par les abscisses 0 et 2 mm et les ordonnés 0 et 850 C, excepté la portion A hachurée délimitée par les points A1, A2, A3, A4, A1, dont les coordonnées durée / température sont les suivantes: A1: 15 mn. 440"C A2: 40 sec. 4400C A3: 40 sec. 350 C A4: 15 mn. 2500C La courbe reliant les points A3 et A4 n'est pas une droite comme
celle reliant les points A1 à A2, A2 à A3 et A4 à A1, mais est curviligne.
Ainsi, comme on le voit à la figure 2, on peut supprimer complètement le palier de survieillissement, le point de coordonnées (0,0)
faisant partie du domaine.
La vitesse de refroidissement de la tôle pour passer de la température de recuit tl à celle du palier de refroidissement t2 et après le palier de refroidissement n'a pas une grande importance dans le procédé
selon l'invention et peut être par exemple comprise entre 1 et 1000 C.
Comme on le voit à la figure 3, les conditions de température et de durée du second recuit à basse température sont comprises dans le domaine représenté sur une courbe durée / température par la portion B non hachurée délimitée par les points B1, B2, B3, B4, B5, B6, B1 dont les coordonnées durée / température sont les suivantes: BI: 1 h 50 C B2: 3mn 170 C B3: 20h 170 C B4: 48h 120 C B5: 100h 120 C B6: 100h 40 C De manière preférentielle, le second recuit s'effectue à une température de l'ordre de 75 C pendant une durée longue de l'ordre de
heures.
Ce second recuit à basse température permet de précipiter une partie du carbone en solution sous forme de carbure de fer et donc de diminuer la teneur en carbone en solution ce qui permet à l'acier d'avoir de bonnes propriétés au vieillissement et donc de ne pas trop se dégrader lors
du stockage.
Pendant la cuisson de la peinture, après mise en forme et mise en peinture de la pièce, une partie du carbure de fer va se dissoudre pour
reformer du carbone en solution ce qui entraîne une bonne propriété BH.
L'invention consiste donc lors du premier recuit à limiter la baisse de la teneur en carbone en solution afin d'en conserver une teneur de l'ordre de 10 à 15 ppm, puis de transformer ce carbone en solution en carbure de fer lors de second recuit, pour reformer une quantité suffisante de carbone en solution après cuisson de la peinture afin de conférer à la pièce après
cuisson de la peinture de bonnes propriétés BH.
Les carbures de fer non remis en solution exercent une
influence bénéfique sur la propriété BH.
Plusieurs essais ont été réalisés sur un acier dont la
composition est la suivante en millième de pour cent pondéral.
C Mn P S N AI Si Cu
19 203 9 9 5 52 I 12
Ni Cr Sn Nb Ti Mo
15 I < I <5 3
Cet acier après laminage à froid a subi un premier recuit à
800 C avec un palier de survieillissement à 400 C pendant 30 secondes.
Plusieurs échantillons ont été prélevés et on a fait subir à ces divers échantillons un second recuit à basse température dans des conditions différentes et les échantillons ont subi une opération de skin-pass jusqu'à
effacement du palier de limite élastique.
Chaque échantillon a alors subi un traitement thermique
similaire à celui d'une cuisson de peinture soit à 170 C pendant 20 minutes.
Pour chaque échantillon, on a relevé les caractéristiques mécaniques en sens travers par rapport à la direction de laminage, le coefficient d'écrouissage n et l'allongement du palier de limite d'élasticité en pourcentage de déformation plastique P%, après le second traitement thermique à basse température ainsi qu'après le traitement thermique de
cuisson de la peinture.
Les caractéristiques mécaniques ont été relevées sur des
éprouvettes ISO 12,5 x 50 selon la norme NF EN 10002-1.
On a pu ainsi calculer le BHo sans prédéformation, c'est à dire à
0% de déformation.
Comme on le voit à la figure 4, le calcul du BHo a consisté à faire la différence entre la limite inférieure d'écoulement après traitement thermique de cuisson ReL et la limite d'élasticité avant traitement thermique
de cuisson Re.
On a également calculé le BH2, c'est à dire le BH à 2% de déformation. Pour cela, on a étiré l'éprouvette réalisée après le premier traitement thermique pour l'allonger de 2% et on a effectué le traitement
thermique de cuisson.
Comme on le voit à la figure 5, le calcul du BH2 prend en compte la contrainte d'écoulement plastique après déformation Rp2% avant traitement de cuisson et la limite inférieure d'écoulement après traitement de
cuisson.
Après traitement thermique avant traitement thermique BH2 = ReL -Rp2%) Les résultats de ces essais sont reportés dans le tableau suivant: Echantillon Traitement P% n BHo (MPa) BH- (MPa) A 60 C/5h 0,30 0,204 61 93 B 60 C/24h 0,45 0,214 53 88 C 75 C/1 h 0,25 0,207 57 90 D 75 C/1 Oh 0,30 0,205 54 91 E 120 CI4h 0,35 0,207 36 72
F 140 C/30" 0,40 0,209 48 82
G 140 C/2h 0,40 0,210 41 72 H 1160 C/Ilh 0,60 0,209 36 70 On constate dans ce tableau que le BH peut dépasser 60 MPa et être compris sans problème entre 50 et 60 MPa ce qui est un
accroissement important quasiment jamais atteint dans les procédés connus.
On constate également que l'allongement du palier de limite d'élasticité (P%) reste inférieur à 0,5 ce qui garantit l'absence crd'apparition du
défaut "vermicullure" lors de l'opération d'emboutissage de la tôle.
Chaque échantillon a été stocké 30 jours à température
ambiante afin de contrôler leur vieillissement.
Pour cela, le coefficient d'écrouissage a été mesuré après
6 jours, 9 jours, 15 jours, 22 jours et 30 jours.
Les résultats de ce test de vieillissement sont reportés dans le tableau suivant: échantillon B C D F H t en jours 0 jour 0,205 0,214 0,219 0,212 0,213 6 jours 0,199 0,198 0,204 0,196 0, 200 9 jours 0,198 0,195 0,202 0,199 0, 198 jours 0,205 0,194 0,201 0,197 0,203 22 jours 0,204 0,196 0,202 0,200 0,200 jours 0,192 0,204 0,206 0,203 0,200 Comme on le voit sur ce tableau, le coefficient d'écrouissage n'évolue pas de façon significative dans le temps et reste élevé, ce qui signifie que le vieillissement naturel des caractéristiques mécaniques reste limité.
Claims (7)
1 - Procédé de fabrication d'une tôle en acier doux bas carbone par laminage à chaud d'une brame, puis laminage à froid de la tôle laminée à chaud, et recuit de la tôle laminée à froid, caractérisé en ce que le recuit de la tôle laminée à froid est un premier recuit de recristallisation et de mise en solution du carbone contenu dans l'acier, suivi d'un éventuel palier de survieillissement tel que la teneur en carbone dissout soit supérieure à une valeur déterminée, et en ce que après ce premier recuit, on soumet la tôle à un second recuit à basse température qui précipite le carbone en solution sous forme de carbure de fer, et on effectue une opération crécrouissage par
laminage léger, appelée "skin pass".
2 - Procédé selon la revendication I caractérisé en ce que la teneur en carbone dissout dans l'acier à l'issue du premier recuit est
supérieure à 6 ppm, de préférence supérieure à 10 ppm.
3- Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce
que le premier recuit de la tôle laminée à froid s'effectue à une température comprise entre 750 et 900 pendant une durée déterminée, suivi d'un palier de survieillissement dont les conditions de température et de recuit sont comprises dans le domaine représenté sur un graphique durée I température par le rectangle défini par les abscisses 0 et 2 mn et les ordonnés 0 et 850 C, excepté la portion A délimitée par les points A1 (15mn,440 C), A2(40",440 C), A3(40", 350 C), A4(15mn,250 C), A1, la courbe reliant les points A3 et A4
étant curviligne.
4 - Procédé selon l'une des revendications précédentes
caractérisé en ce que les conditions de température et de durée du second recuit à basse température sont comprises dans le domaine représenté sur un
graphique durée / température par la portion B délimitée par les points B1(lh-
C), B2(3',170 C), B3(20h,170 C), B4(48h,120 C), B5(100h,120 C),
B6(100h,40 C), B1.
5- Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le second recuit s'effectue à une température de l'ordre de 750 pendant une
durée de l'ordre de 25 heures.
6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en
ce que l'acier doux bas carbone est un acier ayant la composition suivante en millièmes de pourcent pondéral: carbone 1 à 100 phosphore 0 à 100 aluminium 10 à 100 il 2724946 manganèse 0 à 1000 azote 1 à 10 silicium 0 à 1000 soufre 0 à 25, le reste étant du fer et des résiduels issus du procédé d'élaboration.
7 - Tôle d'acier doux bas carbone, caractérisé en ce qu'elle est
obtenue le procédé selon les revendications 1 à 6.
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