WO2004079021A1 - Procede de fabrication de toles d’acier lamine a chaud et a froid a tres haute resistance et tole obtenue - Google Patents

Procede de fabrication de toles d’acier lamine a chaud et a froid a tres haute resistance et tole obtenue Download PDF

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hot
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Xavier Bano
Jacques Corquillet
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Definitions

  • the present invention relates to a process for manufacturing hot-rolled, then cold-rolled steel sheets, with very high resistance, and to the cold-rolled sheet thus obtained.
  • 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. This aptitude for shaping supposes in particular that the steel has a significant elongation.
  • 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.
  • a first family of very high strength steels is known, which are steels alloyed with manganese, containing high proportions of carbon and manganese (more than 1.2%) and the structure of which is ferritocarbonitic. They have a maximum tensile strength of 800 MPa, and can only be obtained by hot rolling to a minimum thickness of 2.3 mm, because the addition of manganese increases the hardness when hot and limits the capacity reduction in rolling.
  • a second family of very high strength steels are HLE steels with high yield strength, which are micro-alloyed steels having a yield strength of between 315 and 700 MPa. They cannot be obtained by hot rolling to a thickness less than 1.8 mm, because the addition of element such as niobium increases hot hardness and limits the rolling reduction capacity.
  • a third family of very high strength steels are multiphase steels, the structure of which is composed of ferrite and / or bainite and / or martensite in variable proportions, and which cannot be obtained by hot rolling to a thickness less than 1.5 mrn, because the addition of addition elements such as manganese, chromium, molybdenum increase the hardness when hot and limit the reduction capacity during rolling, even if for these grades the choice of elements is optimized to achieve the smallest possible thicknesses.
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks of the steels of the prior art by proposing a method making it possible to obtain steel strips having mechanical characteristics similar to those obtained after hot rolling, but at thicknesses less than those currently accessible with the steels of the prior art.
  • the first object of the invention is a method of manufacturing a high-strength steel sheet, hot-rolled then cold-rolled having a tensile strength Rm greater than or equal to 450 MPa, comprising the steps whereby :
  • the high-strength steel is chosen from three-phase steels, micro-alloyed HLE steels and manganese alloyed steels with a ferrito-bainitic structure.
  • the high strength steel has a tensile strength Rm greater than or equal to 600 MPa, preferably greater than or equal to 800 MPa.
  • the restorative heat treatment is an annealing carried out at a temperature below Ad.
  • the restorative heat treatment is an annealing carried out at a temperature above Ad and below Ac3.
  • the strip is coated, after the restoration heat treatment, by passage through a bath of liquid metal, such as for example a bath comprising zinc or a zinc alloy.
  • the second object of the invention is also a cold-rolled high-strength steel sheet, obtainable by the method according to the invention, having a tensile strength Rm greater than or equal to 450 MPa, and a thickness less than or equal to 1.5 mm, preferably less than or equal to 1.4 mm and more particularly preferably less than or equal to 1.3 mm.
  • the sheet according to the invention can also have the following characteristics, alone or in combination:
  • the high-strength steel is chosen from multi-phase steels, micro-alloyed HLE steels and manganese-alloyed steels with ferrito-bainitic structure, - sheet steel has a tensile strength Rm greater than or equal to 600 MPa, preferably greater than or equal to 800 MPa, - the sheet has a metallic coating,
  • the method according to the invention consists first of all in hot rolling a high-strength steel, until a hot strip is obtained whose thickness is generally less than or equal to 2.5 mm.
  • the purpose of this rolling is to obtain a homogeneous structure.
  • the process then consists of a cold rolling of the hot strip with a reduction rate of between 10 and 20%.
  • This rolling is carried out at this low reduction rate so as not to modify the properties of the base metal excessively and irreversibly.
  • This reduction rate can be achieved on a conventional re-rolling line with the advantage of being carried out in a single pass, saving production time. It can also be carried out by a rolling pass on a cage at the entry of a galvanizing line, which makes it possible to carry out the reduction and the subsequent heat treatment of restoration on a single line.
  • conventional cold-rolled steels are never rolled with such a low rate, since it is desired to obtain a recrystallized structure after annealing heat treatment, and a reduction rate that is too low does not allow this.
  • the strip undergoes a restorative heat treatment at a temperature below Ac3.
  • the restoration heat treatment may comprise a first phase of rapid heating at a speed V1, then a second phase of slower heating, at a speed V2, until the target holding temperature is reached.
  • This holding temperature depends on the nature of the steel treated.
  • the strip is cooled at a cooling rate V3, to ambient temperature.
  • the strip can also be cooled to a temperature close to that of a metal bath liquid, such as a zinc bath, and soak it in such a bath, before cooling it to room temperature at a cooling rate V4.
  • the different parameters of this cycle are defined to allow the restoration of the structure, that is to say, to rearrange the dislocations generated during cold rolling, in order to obtain grain sub-joints.
  • the speed V1 is between 10 and 40 ° C / s
  • V2 is between 5 and 25 ° C / s
  • the holding temperature is between 650 ° C and 750 ° C
  • the holding time is between 10 and 30 seconds.
  • the cooling rate V3 is between 10 and 60 ° C / s
  • the strip is cooled until it reaches approximately 470 ° C before immersing it in a galvanizing bath, then cooling it at a speed V4 between 10 and 20 ° C / s.
  • a grade of multiphase steel is cast in the form of slabs which are hot rolled until they reach a thickness of 1.6 mm.
  • the hot sheets are then cold rolled with a reduction rate of 10%, then three samples A, B and C are subjected to a restorative heat treatment, which will be described and the specific conditions of which are given in Table 2 .
  • This treatment consists of a first heating phase at a speed V1 of 38 ° C / s until reaching a preheating temperature varying between 500 and 700 ° C, then in a second phase at a speed V2 of 10 ° C / s until reaching a holding temperature varying between 650 and 750 ° C. Heating at this temperature is carried out for 20 seconds.
  • the sheet is then cooled at a speed V3 of 20 ° C / s, until it reaches 470 ° C, then galvanized by passing through a bath of liquid zinc.
  • the sheet is finally cooled at a speed V4 of 15 ° C / s to room temperature.
  • a multi-phase steel grade is used, the composition of which is identical to that of test 1, which is poured in the form of slabs which are hot rolled until a thickness of 1.6 mm is reached.
  • the hot sheets are then cold rolled with a reduction rate of 20%, then two samples F and G are subjected to a restorative heat treatment similar to that of the test and the specific conditions of which are given in table 3 .
  • the mechanical characteristics of samples F and G are then measured and collated in table 3, as well as the mechanical characteristics of a sample H from the same slab, then hot rolled, but not cold rolled, and that the mechanical characteristics of a sample I from the same slab, hot rolled, then cold rolled with a reduction rate of 20%, but not having undergone a heat treatment for restoration.
  • the method according to the invention has many advantages, and in particular an improvement in the surface appearance in terms of roughness, as well as an improvement in dimensional tolerances compared to hot-rolled steel sheets.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une tôle d'acier à haute résistance, laminée à chaud puis laminée à froid présentant une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 450 MPa, comprenant les étapes selon lesquelles on lamine à chaud un acier à haute résistance, pour obtenir une tôle à chaud, puis on lamine à froid ladite tôle à chaud avec un taux de réduction compris entre 10 et 20%, puis on fait subir à ladite tôle ainsi laminée un traitement thermique de restauration à une température inférieure à Ac3, ainsi que la tôle obtenue.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE TÔLES D'ACIER LAMINE A CHAUD ET A FROID A TRES HAUTE RESISTANCE ET TÔLE OBTENUE
La présente invention concerne un procédé de fabrication de tôles d'acier laminées à chaud, puis laminées à froid, à très haute résistance et la tôle laminée à froid ainsi obtenue.
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 notamment que l'acier présente un allongement important.
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.
On connaît une première famille d'aciers à très haute résistance, qui sont des aciers alliés au manganèse, contenant des proportions élevées de carbone et de manganèse (plus de 1 ,2%) et dont la structure est ferrito- bainitique. Ils présentent une résistance à la traction maximum de 800 MPa, et ne peuvent être obtenus par laminage à chaud que jusqu'à une épaisseur de minimale de 2,3 mm, car l'ajout du manganèse augmente la dureté à chaud et limite la capacité de réduction au laminage.
Une deuxième famille d'aciers à très haute résistance sont les aciers HLE à haute limite d'élasticité, qui sont des aciers micro-alliés présentant une limite d'élasticité comprise entre 315 et 700 MPa. On ne peut les obtenir par laminage à chaud à une épaisseur inférieure à 1 ,8 mm, car l'ajout d'élément tel que le niobium augmente la dureté à chaud et limite la capacité de réduction au laminage.
Une troisième famille d'aciers à très haute résistance sont les aciers multiphasés, dont la structure est composée de ferrite et/ou bainite et/ou martensite dans des proportions variables, et qu'on ne peut pas obtenir par laminage à chaud à une épaisseur inférieure à 1 ,5 mrn, car l'ajout d'éléments d'addition tels que le manganèse, le chrome, le molybdène augmentent la dureté à chaud et limitent la capacité de réduction au laminage, même si pour ces nuances le choix des éléments est optimisé pour atteindre les épaisseurs les plus faibles possibles.
On connaît par ailleurs des aciers laminés à froid qui permettent par des passes de laminage à froid, avec un taux de réduction supérieur à 60%, suivi d'un cycle thermique, d'obtenir des bandes d'épaisseur inférieures à celles obtenues par simple laminage à chaud. Mais, ce procédé ne permet pas d'obtenir de hauts niveaux de résistance, car il nécessite une recristallisation de la structure par traitement thermique après le laminage à froid. Les propriétés mécaniques obtenues sont ainsi diminuées de plus de 100 MPa, aussi bien pour la résistance à la traction que pour la limite d'élasticité. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des aciers de l'art antérieur en proposant un procédé permettant d'obtenir des bandes d'acier ayant des caractéristiques mécaniques similaires à celles obtenues à l'issue d'un laminage à chaud, mais à des épaisseurs inférieures à celles actuellement accessibles avec les aciers de l'art antérieur. A cet effet, l'invention a pour premier objet un procédé de fabrication d'une tôle d'acier à haute résistance, laminée à chaud puis laminée à froid présentant une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 450 MPa, comprenant les étapes selon lesquelles :
- on lamine à chaud un acier à haute résistance, pour obtenir une tôle à chaud, puis
- on lamine à froid ladite tôle à chaud avec un taux de réduction compris entre 10 et 20%, puis - on fait subir à ladite tôle ainsi laminée un traitement thermique de restauration à une température inférieure à Ac3.
Dans un mode de réalisation préféré, l'acier à haute résistance est choisi parmi les aciers rriultiphasés, les aciers HLE micro-alliés et les aciers alliés au manganèse à structure ferrito-bainitique.
Dans un autre mode de réalisation préféré, l'acier à haute résistance présente une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 600 MPa, de préférence, supérieure ou égale à 800 MPa.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le traitement thermique de restauration est un recuit pratiqué à une température inférieure à Ad .
Dans un autre mode de réalisation préféré, le traitement thermique de restauration est un recuit pratiqué à une température supérieure à Ad et inférieure à Ac3.
Dans un autre mode de réalisation préféré, on revêt la bande, à l'issue dut traitement thermique de restauration, par passage dans un bain de métal liquide, tel que par exemple un bain comprenant du zinc ou un alliage de zinc.
L'invention a également pour deuxième objet une tôle d'acier à haute résistance laminée à froid, pouvant être obtenue par le procédé selon l'invention, présentant une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 450 MPa, et une épaisseur inférieure ou égale à 1 ,5 mm, de préférence inférieure ou égale à 1 ,4 mm et de façon plus particulièrement préférée inférieure ou égale à 1 ,3 mm.
La tôle selon l'invention peut également présenter les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
- l'acier à haute résistance est choisi parmi les aciers multiphasés, les aciers HLE micro-alliés et les aciers alliés au manganèse à structure ferrito-bainitique, - l'acier de la tôle présente une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 600 MPa, de préférence supérieure ou égale à 800 MPa, - la tôle comporte un revêtement métallique,
- la tôle est galvanisée.
Le procédé selon l'invention consiste tout d'abord à laminer à chaud un acier à haute résistance, jusqu'à obtenir une bande à chaud dont l'épaisseur est généralement inférieure ou égale à 2,5 mm. Ce laminage a pour but d'obtenir une structure homogène.
Le procédé consiste ensuite en un laminage à froid de la bande à chaud avec un taux de réduction compris entre 10 et 20%. Ce laminage est pratiqué à ce faible taux de réduction afin de ne pas modifier de façon trop importante et irréversible les propriétés du métal de base. On ne veut en particulier pas obtenir une structure recristallisée à l'issue du traitement thermique. Ce taux de réduction peut être réalisé sur une ligne classique de relaminage avec l'avantage d'être réalisé en une seule passe, avec un gain de temps de production. Il peut également être réalisé par une passe de laminage sur une cage en entrée d'une ligne de galvanisation, ce qui permet d'effectuer la réduction et le traitement thermique de restauration ultérieur sur une seule ligne. Il est à noter que les aciers laminés à froid classiques ne sont jamais laminés avec un aussi faible taux, car on souhaite obtenir une structure recristallisée après traitement thermique de recuit, et un taux de réduction trop faible ne le permet pas.
A l'issue du laminage à froid, la bande subit un traitement thermique de restauration à une température inférieure à Ac3.
Le traitement thermique de restauration peut comprendre une première phase de chauffage rapide à une vitesse V1 , puis une deuxième phase de chauffage plus lent, à une vitesse V2, jusqu'à atteindre la température de maintien visée.
Cette température de maintien dépend de la nature de l'acier traité. A l'issue de ce maintien, on refroidit la bande à une vitesse de refroidissement V3, jusqu'à la température ambiante. On peut également refroidir la bande jusqu'à une température proche de celle d'un bain de métal liquide, tel qu'un bain de zinc, et la tremper dans un tel bain, avant de la refroidir jusqu'à la température ambiante à une vitesse de refroidissement V4.
Les différents paramètres de ce cycle sont définis pour permettre la restauration de la structure, c'est à dire, pour réarranger les dislocations générées lors du laminage à froid, afin d'obtenir des sous-joints de grains.
En raison du faible taux de réduction lors du laminage à froid et des paramètres du traitement thermique, on ne recristallise en aucun cas l'acier.
Ainsi, pour un acier à très haute résistance de type acier multiphasé, la vitesse V1 est comprise entre 10 et 40°C/s, V2 est comprise entre 5 et 25°C/s, la température de maintien est comprise entre 650°C et 750°C, et la durée de maintien est comprise entre 10 et 30 secondes. La vitesse de refroidissement V3 est comprise entre 10 et 60°C/s, et on refroidit la bande jusqu'à atteindre environ 470°C avant de l'immerger dans un bain de galvanisation, puis de la refroidir à une vitesse V4 comprise entre 10 et 20°C/s.
L'invention va à présent être illustrée par des exemples, donnés à titre non limitatif.
Abréviations employées
Rm : résistance à la traction en MPa Re : limite d'élasticité en MPa A : allongement, mesuré en % ep : épaisseur
Essai 1
Une nuance d'acier multiphasé dont la composition est donnée dans le tableau 1 ci-dessous, est coulée sous forme de brames qui sont laminées à chaud jusqu'à atteindre une épaisseur de 1 ,6 mm. Les tôles à chaud sont ensuite laminées à froid avec un taux de réduction de 10%, puis trois échantillons A, B et C sont soumis à un traitement thermique de restauration, qui va être décrit et dont les conditions particulières sont rassemblées dans le tableau 2.
Ce traitement consiste en une première phase de chauffage à une vitesse V1 de 38°C/s jusqu'à atteindre une température de préchauffage variant entre 500 et 700°C, puis en une deuxième phase à une vitesse V2 de 10°C/s jusqu'à atteindre une température de maintien variant entre 650 et 750°C. Le chauffage à cette température est effectué pendant 20 secondes.
La tôle est ensuite refroidie à une vitesse V3 de 20°C/s, jusqu'à atteindre 470°C, puis galvanisée par passage dans un bain de zinc liquide. La tôle est finalement refroidie à une vitesse V4 de 15°C/s jusqu'à température ambiante.
Les caractéristiques mécaniques des échantillons A, B et C sont ensuite mesurées et rassemblées dans le tableau 2, ainsi que les caractéristiques mécaniques d'un échantillon D issu de la même brame, puis laminé à chaud, mais non laminé à froid, et que les caractéristiques mécaniques d'un échantillon E issu de la même brame, laminé à chaud, puis à froid avec un taux de réduction de 10%, mais n'ayant pas subi de traitement thermique de restauration.
Tableau 1
Figure imgf000007_0001
Le reste de la composition est constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration. Tableau 2
Figure imgf000008_0001
On constate que la réduction de 10% conduit à une augmentation importante des propriétés mécaniques et en une chute de l'allongement. Le traitement thermique permet bien de restaurer la structure et d'obtenir ainsi des propriétés mécaniques comparables à celle du métal de base, mais pour une épaisseur inférieure. On remarque également que l'essai C donne des résultats particulièrement bons, probablement en raison du passage de la tôle au- dessus de la température Ad , qui s'élève à 740°C. Ce passage dans le domaine austénito-ferritique permet d'abaisser la limite d'élasticité à un niveau comparable à celui du métal de base.
Essai 2
On reprend une nuance d'acier multiphasé dont la composition est identique à celle de l'essai 1 , que l'on coule sous forme de brames qui sont laminées à chaud jusqu'à atteindre une épaisseur de 1 ,6 mm. Les tôles à chaud sont ensuite laminées à froid avec un taux de réduction de 20%, puis deux échantillons F et G sont soumis à un traitement thermique de restauration analogue à celui de l'essai et dont les conditions particulières sont rassemblées dans le tableau 3. Les caractéristiques mécaniques des échantillons F et G sont ensuite mesurées et rassemblées dans le tableau 3, ainsi que les caractéristiques mécaniques d'un échantillon H issu de la même brame, puis laminé à chaud, mais non laminé à froid, et que les caractéristiques mécaniques d'un échantillon I issu de la même brame, laminé à chaud, puis à froid avec un taux de réduction de 20%, mais n'ayant pas subi de traitement thermique de restauration.
Tableau 3
Figure imgf000009_0001
On constate que la réduction de 20% suivi du traitement thermique de restauration permet d'obtenir des propriétés mécaniques plus élevées par rapport au métal de base.
Le procédé selon l'invention présente de nombreux avantages, et en particulier une amélioration de l'aspect de surface en terme de rugosité, ainsi qu'une amélioration des tolérances dimensionnelles par rapport à des tôles d'acier laminées à chaud.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une tôle d'acier à haute résistance, laminée à chaud puis laminée à froid présentant une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 450 MPa, comprenant les étapes selon lesquelles :
- on lamine à chaud un acier à haute résistance, pour obtenir une tôle à chaud, puis
- on lamine à froid ladite tôle à chaud avec un taux de réduction compris entre 10 et 20%, puis
- on fait subir à ladite tôle ainsi laminée un traitement thermique de restauration à une température inférieure à Ac3.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit acier à haute résistance est choisi parmi les aciers multiphasés, les aciers HLE micro- alliés et les aciers alliés au manganèse à structure ferrito-bainitique.
3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en outre en ce que ledit acier à haute résistance présente une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 600 MPa.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en outre en ce que ledit acier à haute résistance présente une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 800 MPa.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit traitement thermique de restauration est un recuit pratiqué à une température inférieure à Ad .
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit traitement thermique de restauration est un recuit pratiqué à une température supérieure à Ad .
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on revêt ladite tôle, à l'issue dudit traitement thermique de restauration, par passage dans un bain de métal liquide.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit bain de métal liquide comprend du zinc ou un alliage de zinc.
9. Tôle d'acier à haute résistance laminée à froid, pouvant être obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, présentant une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 450 MPa, et une épaisseur inférieure ou égale à 1 ,5 mm.
10. Tôle selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit acier à haute résistance est choisi parmi les aciers multiphasés, les aciers HLE microalliés et les aciers alliés au manganèse à structure ferrito-bainitique.
11. Tôle selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en que ledit acier présente une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 600 MPa.
12. Tôle selon la revendication 11 , caractérisée en outre en ce que ledit acier présente une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 800 MPa.
13. Tôle selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce qu'elle est comporte un revêtement métallique.
14. Tôle selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle est galvanisée.
PCT/FR2004/000136 2003-01-28 2004-01-22 Procede de fabrication de toles d’acier lamine a chaud et a froid a tres haute resistance et tole obtenue WO2004079021A1 (fr)

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