WO2004070064A2 - Acier lamine a chaud a tres haute resistance et procede de fabrication de bandes - Google Patents

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Christophe Issartel
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Definitions

  • the present invention relates to hot rolled steel with very high resistance, and to a method of manufacturing strips of this steel, the structure of which is bainito-martensitic and can contain up to 5% of ferrite.
  • Very high strength steels have been developed in recent years, in particular to meet the specific needs of the automotive industry, which are in particular the reduction of the weight and therefore of the thickness of the parts, and the improvement of safety. which involves increasing the resistance to fatigue and the impact resistance of the parts. These improvements must not further deteriorate the formability of the sheets used for the manufacture of the parts.
  • the improvement of the impact resistance of shaped parts can be achieved in different ways and, in particular, by using steels having on the one hand a significant elongation A and, on the other hand, a ratio
  • the fatigue resistance of the parts defines their service life according to the stresses undergone, and can be improved by increasing the tensile strength Rm of the steel.
  • the increase in strength deteriorates the formability of the steel, thus limiting the workpieces, in particular as regards their thickness.
  • very high strength steel in the context of the present invention, a steel whose tensile strength Rm is greater than 800 MPa.
  • a first family of very high strength steels is known, which are steels containing high proportions of carbon (more than 0.1%) and manganese (more than 1.2%) and whose structure is entirely martensitic. They have a resistance of more than 1000 MPa, obtained by a quenching heat treatment, but have an elongation A of less than 8% which prohibits any shaping.
  • a second family of very high strength steels is made up of so-called dual phase steels, with a structure comprising around 10% ferrite and 90% martensite. These steels have very good formability, but resistance levels not exceeding 800 MPa.
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks of the steels of the prior art by proposing a hot-rolled steel with very high resistance, suitable for shaping, and having improved fatigue resistance and impact resistance.
  • the invention has for first object a hot rolled steel with very high resistance, characterized in that its chemical composition comprises, by weight:
  • the chemical composition also comprises, by weight:
  • the structure of the steel according to the invention consists of 70 to 90% of bainite, 10 to 30% of martensite and 0 to 5% of ferrite, and more particularly preferably , 70 to 85% bainite, 15 to 30% martensite and 0 to 5% ferrite.
  • the steel according to the invention can also include the following characteristics, alone or in combination:
  • the second object of the invention is also a process for manufacturing a strip of hot rolled steel with very high resistance according to the invention, in which a slab is hot rolled, the composition of which comprises:
  • the rolling temperature being less than 950 ° C
  • the strip thus obtained is cooled to a temperature less than or equal to 400 ° C, maintaining a cooling rate greater than 50 ° C / s between 800 and 700 ° C, then said strip is wound at a winding temperature less than or equal to 250 ° C.
  • composition of the slab is as follows:
  • the strip of hot-rolled steel is coated with zinc or a zinc alloy, by immersion in a bath of zinc or of molten zinc alloy, at the end of the winding and after being unwound and then annealed.
  • the method according to the invention consists first of all in hot rolling a slab of specific composition, in order to obtain a homogeneous structure.
  • the rolling temperature is less than 950 ° C, and preferably less than 900 ° C.
  • the strip thus obtained is cooled to a temperature less than or equal to 400 ° C, maintaining a cooling rate greater than 50 ° C / s between 800 and 700 ° C.
  • This rapid cooling is carried out so that less than 5% of ferrite is formed, the presence of which is not desired, since the titanium would preferentially precipitate in this phase.
  • This cooling rate is preferably between 50 ° C / s and 200 ° C / s.
  • the method then consists in winding the strip at a winding temperature less than or equal to 250 ° C. We limit the temperature of this step in order to avoid causing an income from martensite, which would decrease the mechanical strength and raise the elastic limit, resulting in a poor E / Rm ratio.
  • composition according to the invention comprises carbon at a content of between 0.05% and 0.100%.
  • This element is essential for obtaining good mechanical characteristics, but must not be present in too large a quantity, because it could generate segregations.
  • a carbon content of less than 0.100 makes it possible in particular to have good weldability, and an improvement in shaping properties and endurance limit. It also includes manganese at a content between 0.05% and 0.100%.
  • the composition also includes chromium at a content of between 0.50% and 1.0%. A minimum content of 0.50% promotes the appearance of bainite in the microstructure. Its content is however limited to 1.0% since a high chromium content would favor the increase in the amount of ferrite formed beyond 5%, due to its alphagenic character.
  • the composition also includes silicon at a content of between 0.05% and 0.3%. It greatly improves the yield strength of steel while slightly reducing its ductility and deteriorating its coatability, which explains why its content is limited.
  • the composition also comprises titanium at a content of between 0.05 and 0.1%. This element makes it possible to significantly increase the mechanical characteristics by a phenomenon of precipitation during rolling and cooling. It does not increase hot hardness due to its moderate content. Its content is limited to 0.1% to avoid degrading the impact resistance properties, the hardness when hot, as well as the ability to fold.
  • the composition may also include phosphorus at a content of less than 0.05%, since beyond it could cause problems of segregation during continuous casting.
  • the composition also comprises aluminum with a content of less than 0.07%, which occurs during the calming of the steel during its production at the steelworks.
  • the rest of the composition consists of iron and unavoidable impurities resulting from processing.
  • Rp0,2 elastic limit in MPa
  • A elongation, measured in%
  • the microstructure of test 1, according to the invention is bainitomartensitic, while the microstructure of tests 2 and 3 is ferrito-martensitic. It is found that a cooling rate between 800 and 700C of less than 50 ° C / s, induces the presence of ferrite in a proportion greater than 5%. The titanium will then precipitate in this ferrite, which no longer makes it possible to obtain the level of mechanical characteristics sought, in particular a high Rm. Furthermore, a winding temperature above 250 ° C, associated with a cooling rate between 800 and 700 ° C below 50 ° C / s, increases the elastic limit without increasing the mechanical strength. The E / Rm ratio is therefore too high.
  • the steel according to the invention has a good ability to be coated by immersion in a bath of molten metal, such as zinc or a zinc alloy, or only aluminum or one of its alloys.

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Abstract

L'invention concerne un acier laminé à chaud à très haute résistance, dont la composition chimique comprend, en poids 0,05% ≤ C ≤ 0,1 0,7% ≤ Mn ≤ 1, 1% 0,5% ≤ Cr ≤ 1, 0% 0,05% ≤ Si≤ 0,3% 0, 05 ≤Ti < 0,1 AI ≤ 0,07 S ≤ 0,03% P ≤ 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ledit acier ayant une structure bainito-martensitique pouvant contenir jusqu'à 5% de ferrite, ainsi qu'un procédé de fabrication de bandes de cet acier.

Description

Λ
ACIER LAMINE A CHAUD A TRES HAUTE RESISTANCE ET PROCEDE
DE FABRICATION DE BANDES
La présente invention concerne un acier laminé à chaud à très haute résistance, et un procédé de fabrication de bandes de cet acier, dont la structure est bainito-martensitique et peut contenir jusqu'à 5% de ferrite.
Les aciers à très haute résistance ont été développés ces dernières années, notamment afin de répondre aux besoins spécifiques de l'industrie automobile, qui sont en particulier la réduction du poids et donc de l'épaisseur des pièces, et l'amélioration de la sécurité qui passe par l'augmentation de la résistance à la fatigue et de la tenue aux chocs des pièces. Ces améliorations ne doivent en outre pas détériorer l'aptitude à la mise en forme des tôles utilisées pour la fabrication des pièces.
Cette aptitude à la mise en forme suppose que l'acier présente un allongement A important (> 10%) ainsi qu'un rapport de la limite d'élasticité E sur la résistance à la traction Rm ayant une valeur basse.
L'amélioration de la tenue aux chocs des pièces mises en forme peut être réalisée de différentes façons et, en particulier, en utilisant des aciers possédant d'une part un allongement A important et, d'autre part, un rapport
E/Rm ayant une valeur basse, ce qui permet après mise en forme et grâce à la capacité de consolidation de l'acier d'augmenter sa limite d'élasticité.
La tenue en fatigue des pièces définit leur durée de vie en fonction des contraintes subies, et peut être améliorée en augmentant la résistance à la traction Rm de l'acier. Mais, l'augmentation de la résistance détériore l'aptitude à la mise en forme de l'acier, limitant ainsi les pièces réalisables, en particulier en ce qui concerne leur épaisseur.
Par acier à très haute résistance, on désigne dans le cadre de la présente invention, un acier dont la résistance à la traction Rm est supérieure à 800 MPa. On connaît une première famille d'aciers à très haute résistance, qui sont des aciers contenant des proportions élevées de carbone (plus de 0,1 %) et de manganèse (plus de 1 ,2%) et dont la structure est entièrement martensitique. Ils présentent une résistance de plus de 1000 MPa, obtenue par un traitement thermique de trempe, mais ont un allongement A de moins de 8% ce qui interdit toute mise en forme.
Une deuxième famille d'aciers à très haute résistance est constituée d'aciers dits dual phase, à structure comprenant environ 10% de ferrite et 90% de martensite. Ces aciers présentent une très bonne formabilité, mais des niveaux de résistance ne dépassant pas 800 MPa.
Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des aciers de l'art antérieur en proposant un acier laminé à chaud à très haute résistance, apte à la mise en forme, et présentant une tenue en fatigue et une tenue aux chocs améliorées. A cet effet, l'invention a pour premier objet un acier laminé à chaud à très haute résistance, caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids :
0,05% < C < 0,1% 0,7% < Mn < 1 ,1 % 0,5% < Cr < 1 ,0%
0,05% < Si < 0,3% 0,05 < Ti < 0,1 % Al < 0,07 S < 0,03% P < 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ledit acier ayant une structure bainito-martensitique pouvant contenir jusqu'à 5% de ferrite. Dans un mode de réalisation préféré, la composition chimique comprend en outre, en poids :
0,08% <C<0,09% 0,8% <Mn<1,0% 0,6% <Cr<0,9%
0,2% < Si < 0,3% 0,05% <Ti<0,09% Al <0,07 S < 0,03% P < 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Dans un autre mode de réalisation préféré, la structure de l'acier selon l'invention est constituée de 70 à 90% de bainite, de 10 à 30% de martensite et de 0 à 5% de ferrite, et de façon plus particulièrement préférée, de 70 à 85% de bainite, de 15 à 30% de martensite et de 0 à 5% de ferrite.
L'acier selon l'invention peut également comprendre les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
- une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 950 MPa,
- un allongement à la rupture A supérieur ou égal à 10%,
- une limite d'élasticité E supérieure ou égale à 680 MPa,
- un rapport E/Rm inférieur à 0,8. L'invention a également pour deuxième objet un procédé de fabrication d'une bande d'acier laminé à chaud à très haute résistance selon l'invention, dans lequel on lamine à chaud une brame dont la composition comprend :
0,05% <C<0,1% 0,7% Mn<1,1% 0,5% <Cr< 1,0%
0,05% Si<0,3%
0,05 <Ti< 0,1%
Al < 0,07%
S < 0,03%
P < 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la température de laminage étant inférieure à 950°C, puis on fait refroidir la bande ainsi obtenue jusqu'à une température inférieure ou égale à 400°C, en maintenant une vitesse de refroidissement supérieure à 50°C/s entre 800 et 700°C, puis on bobine ladite bande à une température de bobinage inférieure ou égale à 250°C.
Dans un mode de réalisation préféré, la composition de la brame est la suivante :
0,08% < C < 0,09% 0,8% < Mn < 1 ,0% 0,6% < Cr < 0,9%
0,2% < Si < 0,3% 0,05% < Ti < 0,09% Al < 0,07% S < 0,03% P < 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Dans un autre mode de réalisation préféré, la bande d'acier laminé à chaud est revêtue de zinc ou d'un alliage de zinc, par immersion dans un bain de zinc ou d'alliage de zinc fondu, à l'issue du bobinage et après avoir été débobinée, puis recuite.
Le procédé selon l'invention consiste tout d'abord à laminer à chaud une brame de composition spécifique, afin d'obtenir une structure homogène. La température de laminage est inférieure à 950°C, et de préférence inférieure à 900°C.
A l'issue du laminage, on fait refroidir la bande ainsi obtenue jusqu'à une température inférieure ou égale à 400°C, en maintenant une vitesse de refroidissement supérieure à 50°C/s entre 800 et 700°C. Ce refroidissement rapide est effectué de telle sorte que l'on forme moins de 5% de ferrite, dont on ne souhaite pas la présence, car le titane précipiterait preferentiellement dans cette phase. Cette vitesse de refroidissement est de préférence comprise entre 50°C/s et 200°C/s. Le procédé consiste ensuite à bobiner la bande à une température de bobinage inférieure ou égale à 250°C. On limite la température de cette étape afin d'éviter de provoquer un revenu de la martensite, qui diminuerait la résistance mécanique et ferait remonter la limite élastique, d'où un mauvais ratio E/Rm.
La composition selon l'invention comprend du carbone à une teneur comprise entre 0,05% et 0,100%. Cet élément est essentiel à l'obtention de bonnes caractéristiques mécaniques, mais ne doit pas être présent en trop grande quantité, car il pourrait générer des ségrégations. Une teneur en carbone inférieure à 0,100 permet notamment d'avoir une bonne soudabilité, et une amélioration des propriétés de mise en forme et de limite d'endurance. Elle comprend également du manganèse à une teneur comprise entre
0,7% et 1 ,1 %. Le manganèse améliore la limite d'élasticité de l'acier tout en réduisant fortement sa ductilité, ce pour quoi on limite sa teneur. Une teneur inférieure à 1 ,1 % permet également d'éviter toute ségrégation lors de la coulée continue. La composition comprend également du chrome à une teneur comprise entre 0,50% et 1 ,0%. Une teneur minimale de 0,50% permet de favoriser l'apparition de la bainite dans la microstructure. On limite cependant sa teneur à 1 ,0% car une teneur élevée en chrome favoriserait l'augmentation de la quantité de ferrite formée au-delà de 5%, en raison de son caractère alphagène.
La composition comprend également du silicium à une teneur comprise entre 0,05% et 0,3%. Il améliore fortement la limite d'élasticité de l'acier tout en réduisant faiblement sa ductilité et en détériorant sa revêtabilité, ce qui explique pourquoi on limite sa teneur. La composition comprend également du titane à une teneur comprise entre 0,05 et 0,1 %. Cet élément permet d'accroître notablement les caractéristiques mécaniques par un phénomène de précipitation au cours du laminage et du refroidissement. Il n'augmente pas la dureté à chaud du fait de sa teneur modérée. On limite sa teneur à 0,1 % pour éviter de dégrader les propriétés de résistance au choc, la dureté à chaud, ainsi que l'aptitude au pliage.
La composition peut également comprendre du phosphore à une teneur inférieure à 0,05%, car au-delà il pourrait poser des problèmes de ségrégation lors de la coulée continue.
La composition comprend également de l'aluminium à une teneur comprise inférieure à 0,07%, qui intervient lors du calmage de l'acier lors de son élaboration à l'aciérie. Exemples
A titre d'exemple non limitatif, et afin de mieux illustrer l'invention, une nuance d'acier a été élaborée. Sa composition est donnée dans le tableau suivant :
Figure imgf000007_0001
Le reste de la composition est constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration.
Abréviations employées
Rm : résistance à la traction en MPa,
Rp0,2 : limite d'élasticité en MPa, A : allongement, mesuré en %
A partir de la nuance A, on a préparé trois échantillons, en les laminant à 860°C, puis en les soumettant à des chemins thermo-mécaniques différents. On a fait varier les vitesses de refroidissement entre 800 et 700°C, ainsi que la température de bobinage, afin de mettre en évidence les différences de structure obtenues.
On mesure ensuite les caractéristiques mécaniques des aciers obtenus. Les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant :
Figure imgf000007_0002
selon l'invention. La microstructure de l'essai 1 , conforme à l'invention, est bainito- martensitique, tandis que la microstructure des essais 2 et 3 est ferrito- bainitique. On constate qu'une vitesse de refroidissement entre 800 et 700C inférieure à 50°C/s, induit une présence de ferrite dans une proportion supérieure à 5%. Le titane va alors précipiter dans cette ferrite, ce qui ne permet plus d'obtenir le niveau de caractéristiques mécaniques recherché, en particulier un Rm élevé. Par ailleurs, une température de bobinage supérieure à 250°C, associée à une vitesse de refroidissement entre 800 et 700°C inférieure à 50°C/s, augmente la limite d'élasticité sans augmenter la résistance mécanique. Le rapport E/Rm est donc trop élevé.
Enfin, on constate qu'une vitesse de refroidissement entre 800 et 700°C supérieure à 50°C/s, associée à une température de bobinage inférieure à 250°C, donne d'excellentes valeurs de résistance mécanique et de limite d'élasticité. La structure essentiellement bainito-martensitique confère au produit un bon ratio E/Rm et un allongement supérieur à 10%.
En outre, l'acier selon l'invention présente une bonne aptitude au revêtement par immersion dans un bain de métal fondu, tel que du zinc ou un alliage de zinc, ou que de l'aluminium ou un de ses alliages.

Claims

REVENDICATIONS
1. Acier laminé à chaud à très haute résistance, caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids : 0,05% <C<0,1%
0,7% <Mn<1,1% 0,5% <Cr<1,0% 0,05% <Si<0,3% 0,05 <Ti< 0,1% Al < 0,07
S < 0,03% P < 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ledit acier ayant une structure bainito-martensitique pouvant contenir jusqu'à 5% de ferrite.
2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition comprend en outre :
0,08% <C<0,09% 0,8% <Mn<1,0% 0,6% <Cr<0,9% 0,2% <Si<0,3% 0,05% < Ti < 0,09%
Al < 0,07 S < 0,03% P < 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ledit acier ayant une structure bainito-martensitique pouvant contenir jusqu'à 5% de ferrite.
3. Acier selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en outre en ce que sa structure est constituée de 70 à 90% de bainite, de 10 à 30% de martensite et de 0 à 5% de ferrite.
4. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il présente une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 950MPa.
5. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il présente un allongement à la rupture A supérieur ou égal à 10%.
6. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il présente une limite d'élasticité E supérieure ou égale à 680 MPa.
7. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il présente un rapport E/Rm inférieur à 0,8.
8. Procédé de fabrication d'une bande d'acier laminé à chaud à très haute résistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on lamine à chaud une brame dont la composition comprend :
0,05% < C < 0,1 % 0,7% < Mn < 1 ,1 % 0,5% < Cr < 1 ,0%
0,05% < Si < 0,3% 0,05 <Ti < 0,1 % Al < 0,07 S < 0,03% P < 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la température de laminage étant inférieure à 950°C, puis on fait refroidir la bande ainsi obtenue jusqu'à une température inférieure ou égale à 400°C, en maintenant une vitesse de refroidissement supérieure à 50°C/s entre 800 et 700°C, puis on bobine ladite bande à une température de bobinage inférieure ou égale à 250°C.
9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en outre en ce que l'on lamine à chaud une brame dont la composition comprend :
0,08% < C < 0,09% 0,8% < Mn < 1 ,0% 0,6% < Cr < 0,9% 0,2% < Si < 0,3%
0,05% < Ti < 0,09% Al < 0,07 S < 0,03% P < 0,05% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
10. Procédé de fabrication selon l'une ou l'autre des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la bande d'acier laminé à chaud est revêtue de zinc ou d'un alliage de zinc, par immersion dans un bain de zinc ou d'alliage de zinc fondu, à l'issue dudit bobinage et après avoir été débobinée, puis recuite.
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