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TOLE D'ACIER LAMINEE A CEIAUD A HAUTE RESISTANCE ET HAUTE
EMBOUTlSSA~lLI 1rE RENFERMANT DU NIOBIUM, ET SES PROCEDES
DE FABRICATION
L'invention conceme la sidérurgie. Plus plc~;ac~ , elle conceme le domaine
des tôles d'acier laminées à chaud devant présenter des propriétés élevées de résistance
et d'tllllJ."~ r, destinées notamment à l'industrie automobile pour fommer des
pieces de structures de véhicules.
Dans la gamme des produits plats laminés a chaud dont les proprietés
m~c~niq~ C sont obtenues par laminage contrôlé sur le train à bandes, il existe diverses
catégories d'aciers qui possèdent, à des de6rés divers, des ~al,~ Pc
pouvant être qualifiées d'élevées.
Les aciers à haute limite élastique (dits "aciers HLE" ou "HSLA") sont des
aciers microalliés au niobium, au titane ou au vanadium. Ils présentent une limite
d'élasticité élevée, dont le minimum suivant le grade peut aller de 300 MPa environ à
700 MPa environ, obtenue grâce à un affinement du grain ferritique et une fine
précipitation durcissante. Toutefois, leur aptitude au formage est limitée, surtout pour
les plus hauts grades. Ils présentent un rapport limite élastique/résistance a la traction
(Re/Rm) élevé.
Les aciers dits "double phase", ou "dual phase", ont une microstructure
composée de ferrite et de martensite. La Llallar~ làliOn ferritique est favorisée par un
,~ rapide de la tôle, dès la fin du laminage à chaud, jusqu'à une
alul~ inférieure à Ar3, suivi par un IcG~",l;~ lent à l'air. La "~ r~" Illrl;(.l,
Illall~,llaili~uc est ensuite obtenue par un Icrlni~ ",~,r rapide à une Itlll~laLult;
infërieure à Ms. Pour un niveau de résistance donné, ces aciers ont une excellente
formabilité, mais celle-ci se dégrade pour les résistances superieures à 650 MPa, en
raison de l'illl~Jol~allL~; proportion de martensite qu'ils renferment.
Les aciers dits "à haute résistance" ("HR") ont une microstructure composée
de ferrite et de bainite. Leur formabilité est ;"l~. IllfJ;~.;. C entre celle des aciers à haute
limite élastique et celle des aciers double phase, mais leur soudabilité est inférieure à
celles de ces deux types d'aciers. Leur résistance est limitée au grade Rm = 600 MPa,
car sinon leur formabilité décroît tres vite
Les aciers dits "à structure bainitique à très bas carbone" ("ULCB") ont une
microstructure c,.Llê~ llC.lL fine de bainite à bas carbone composée de ferrite sous
fomme de lattes et de carbures. Pour l'obtenir, on inhibe la LlallarollllàLion ferritique par
une micro-addition de bore, voire également de niobium. Ces aciers permettent
d'atteindre des résistances très élevées, supérieures à 750 MPa, mais avec une
formabilité et une ductilité assez faibles.
, _ . . . ..... .
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Enfin, les aciers TRIP (TRàllarullllaLiol~ Induced Plasticity) ont une
microstructure composee de ferrite, de bainite et d'austénite résiduelle. Ils permettent
d'atteindre des résistances très elevécs, mais leur soudabilite est tres faible du fait de
leur teneur élevee en carbone.
Afin d'obtenir le meilleur compromis possible entre resistance, formabilité et
également soudabilité, on a mis au point (voir le document EP O 548 950) des aciers
pour tôles laminées à chaud dont la structure contient PCcPntiPllPmpnt de la ferrite
durcie par des précipités de carbure de titane et/ou de niobium et de la martensite,
voire également de l'austénite résiduelle. Ces aciers ont la composition, exprimée en
o pourcentages pondéraux:
CSO,18%;0,5sSis2,5%;0,5~Mns2,5%;PsO,05%;SSO,02%;0,01~AI~
0,1 %; 0,02 s Ti s 0,5 % et/ou 0,03 < Nb ~ I %, avec C % 20,05 + Ti/4 + Nb/8.
Ces aciers ont ~ des résistances elevées (Rm est de l'ordre de
700 MPa) et une bonne formabilité (Re/Rm est de l'ordre de 0,65). Toutefois, leur
soudabilite n'est pas aussi bonne que ce que l'on souhaiterait. De plus, leur aspect de
surface n'est pas satisfaisant: on constate la présence d'une categorie de défauts appelée
"tigrage" (ou "tiger stripes"). Il s'agit d'il~,lu~LaLiulls de calamine que le décapage ne
permet pas d'éliminer. Ces defauts l~sL~ ,l,L les possibilités d'utiliser les tôles pour
fabriquer des pièces destinées à demeurer visibles.
Le but de l'invention est de fournir aux utilisateurs de tôles d'acier laminées à
chaud des produits présentant un très bon compromis entre des niveauY de résistance
élevés, une formabilité ~ et une bonne soudabilité, ainsi qu'un aspect de
surface i.l~,lu.,lldble.
A cet effet, I'invention a pour objet une tôle d'acier laminée à chaud à haute
25 résistance et haute emboutissabilité, Càl~,L~ éC en ce que sa ~,UI~ ;Livll, exprimée en
pourcentages pondéraux, est:
- C ~ O, 1 2 %;
-0,55Mn< 1,5%;
-ossiso,3%;
-OsPsO,I %;
%;
-0,01 SAISO,I %;
- O s Cr s I %;
- 0,01 s Nb s 0,1 %
- O s Tieff s 0,05 %, Tieff etant la teneur en titane non sous forme de nitrures,
de sulfures ou d'oxydes;
et en ce que sa structure comprend au moins 75 % de ferrite durcie par ~ J;Laliul~ de
carbures ou de carbonitrures de niobium ou de niobium et de titane, le reste de la
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structure ~V~ lallL au moins 10 % de martensite et évPntllPllPnnPnt de la bainite et de
l'austénite résiduelle.
L'invention a également pour objets des procédés de fabrication de telles tôles.Comme on l'aura compris, les tôles selon l'invention se distinguent de celles
5 connues jusqu'ici pour les mêmes usages par leur teneur ~ inférieure en
silicium, leurs fourchettes de teneurs en niobium et titane lloL~l~ lL resserrees, et des
exigences plus strictes sur la répartition des différentes phases de la structure. Et
l'obtention de la structure, donc des propriétés ~ .IIées pour la tole, implique des
conditions pa~ lors du traitement thermique qui suit i",."f~ r", ,l le
0 laminage à chaud. Leur, ~ et leur mode de fabrication font que ces aciers
représentent, à plusieurs égards, une ...""I~i"~ d'aciers HLE et d'aciers double phase.
L'invention sera mieux comprise à lâ lecture de la description qui suit, illustrée
par la figure I qui montre une micrographie d'une tale selon l'invention
Pour obtenir des tôles laminées à chaud selon l'invention, il faut d'abord
élaborer, puis couler sous forme d'une brame, un acier comportant (tous les
pourcentages sont des pourcentages pondéraux) une teneur en carbone inférieure ou
égale à 0,12 %, une teneur en manganese comprise entre 0,5 et l,S %, une teneur en
silicium inférieure ou égale à 0,3 %, une teneur en phosphore inférieure ou égale à
0,1%, une teneur en soufre inférieure ou égale à 0,05 %, une teneur en aluminiumcomprise entre 0,01 et 0,1 %, une teneur en chrome inférieure ou égale à I %, une
teneur en niobium comprise entre 0,01 et 0,10 %, et une teneur en titane efficace (on
exposera plus loin ce que signifie ce terme) comprise entre 0 et 0,05 %.
La brame est ensuite laminée a chaud sur un train à bandes pour former une
tôle de quelques mm d'epaisseur. A sa sortie du train à bandes, la tole subit untraitement thermique qui permet de lui conférer une ~ ,l uaLI u~,Lul ~ composée au moins
à 75 % de ferrite et au moins à 10 % de martensite. La ferrite est durcie par une
précipitation de carbures ou de carbonitrures de niobium, et également de carbures ou
de carbonitrures de titane si cet élément est présent de manière S;~l.;r,~.~Liv~. La
microstructure peut évpntllpllpmpnt comporter aussi de la bainite et de l'austénite
résiduelle.
La teneur en carbone limitée permet de conserver à l'acier une bonne
soudabilité, et d'obtenir la proportion de martensite désirée.
Le manganèse joue un role durcissant, car:
- il se place en solution solide,
- en abaissant le point Ar3, i~ permet d'abaisser la température de fin de
laminage et d'obtenir un grain ferritique fin;
- c'est un élement trempant.
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Cependant, aux fortes teneurs, il provoque la formation d'une structure en
bandes et conduit à la degradation des p..ru~ dl~,Ca de fatigue et/ou de formabilité. Il
faut donc limiter sa présence a la teneur maximale spécifiée de 1,5 %.
Le silicium est un elément alphagène, qui favorise donc la Llallarollllaliull
5 ferritique. Il est aussi durcissant en solution solide. Toutefois, I'invention repose entre
autres sur une baisse très sensible de la teneur en silicium de l'acier par rapport a l'art
antérieur illustré par le document EP 0 548 950. L'intérêt d'une baisse notable de la
teneur en silicium est que les problèmes d'aspect de surface rencontrés sur les aciers de
l'art antérieur ~.,u,~;~".,~,.,L, en fait, d'une apparition à la surface de la brame, dans le
0 four de réchauffage, d'oxyde Fe2SiO4 qui forme avec l'oxyde FeO un eutectique a bas
point de fusion. Cet eutectique pénètre dans les joints de grain et favorise l'ancrage de
la calamine, qui ne peut donc être qu'i."L~d.rdit~ L éliminée au décapage. Un autre
intérêt de cet ,~ de la teneur en silicium est l'âllléliUldLiOIl de la soudabilité de
l'acier. Les aciers de l'invention, à condition que les autres ~ c sur leur
co..,~ o~;Liu,l et leur mode de fabrication soient respectées, tolèrent de n'avoir que de
faibles, vûire très faibles teneurs en silicium.
Comme le silicium, le phosphore est alphagène et durcissant. Mais sa teneur
dûit être limitée à 0,1 %, et peut être aussi faible que pûssible. En effet, il serait
susceptible, à forte teneur, de former une ségrégatiûn à mi-épaisseur qui pourrait
provoquer un r!~l~min~ Par ailleurs, il peut ségréger aux joints de grains, ce qui
augmente la fragilité.
Quoique non nécessaire à IJlUpl~ lll parler, une addition de chrome (limitée
à I %) est Ir.~ ., car il favorise la formation de martensite et la
Lld.... ~ru""aLion ferritique.
Le niobium et le titane sont des eléments de micro-alliage qui forment des
précipités de carbure et de Galbull;LIul~ durcissant la ferrite. Leur addition, qui pûur le
titane n'est qu'optionnelle, a pour but d'obtenir, grâce a ce dul~ lll,"lL, un niveau de
résistance élevé.
Une grande particularité de la ~,ulll,uua;LiOIl des aciers selon l'invention est la
présence de niobium, alors que cet élément n'est pas lldb;Lu~llG.Il~llL ajouté lorsqu'on
désire obtenir une structure de type double phase ferrite-martensite. En effet, le
niobium augmente la t~ dLul ~ de non~ l ;aLdlll~aLiùll de l'acier, ce qui se traduit par
un fort écrouissage de l'austénite, et peut entraîner une hétérogénéité de taille de
grains. De plus, la IJl~ ;LdLiull des carbures et carbonitrures de niobium ralentit la
transformation ferritique. C'est pourquoi, pour obtenir en présence de niobium une
formation suffisante de ferrite équiaxe con~"dblcl,.~"L durcie, il est impératif de
respecter l'un des schémas de l~:r.o;d;~ c.,L de la tôle laminée a chaud qui vont être
décrits.
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Concernant l'addition optionnelle de titane, I'effet de dul.,;a~e~ .lL de la ferrite
qu'elle procure n'est cependant obtenu que si le titane a la possibilite de se combiner au
carbone. Il faut donc tenir compte, lors de l'addition de titane au bain d'acier liquide,
des possibilités de formation d'oxydes, de nitrures et de sulfures de titane. La formation
significative d'oxydes peut être aisément évitée par une addition d'aluminium lors de la
d~,~ù~ydaliull de l'acier liquide. Quant aux quantités de nitrures et de sulfures formées,
elles dépendent des teneurs de l'acier liquide en azote et en soufre. S'il n'est pas
possible, lors de l'élaboration et de la coulée, de limiter JIA~ ces teneurs en
azote et en soufre, il faut ajouter au bain métallique une quantité de titane suffisante
o pour que dans le métal solidifié, apres precipitation des nitrures et sulfures, la teneur en
titane non sous forme de nitrures, de sulfures ou d'oxydes (et donc disponible pour
former des carbures et carbonitrures) soit au maximum de O,OS %. C'est cette teneur
que llon appelle 'Iteneur en titane effcacel' et que l'on abrège en "Tieff %". Lorsque
l'acier est désoxydé à l'aluminium, compte tenu des équilibres thermodynamiques qui
~'1Labl;~s~lll dans le métal en cours de soli~lifirA~ion, on peut estimer que, si Titotal %
désigne la teneur totale de l'acier en titane,
Tieff%= Titotal % - 3,4 x N % - I,S x S %
Cette addition de titane peut dVA~ PIll compléter l'addition de niobium
pour atteindre des niveaux de résistance encore plus élevés. Mais ajouter du niobium et
du titane au-delà des quantités prescrites est inutile, car on assisterait alors à une
saturation de l'e~fet durcissant.
Pour fabriquer les tôles selon l'invention, différents modes opératoires peuventêtre envisagés, en fonction du niveau de p~lrul~lld~ s recherché et de la composition
du métal.
Selon un premier mode opératoire (N 1), applicable de manière ~lalldald;~
à tous les aciers de l'invention, et plus particulièrement à ceux dont la teneur en
niobium est comprise entre 0,02 et 0,1 %, la succession des opérations est la suivante:
1) on élabore, et on coule sous forme de brame un acier dont la ~,UIIIpU!>;~iUI~en pourcentages ponderaux est:
-Cso~l2%~
-O,SsMnsl,5%;
-ossiso,3%;
-OsPso,l %;
-OsSsO,05%;
-0,01 SAlsO,I %;
-OSCrS I %;
-0,01 sNb sO,I %
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- 0 s Tieff s 0,05 %, Tieff étant la teneur en titane non sous forme de nitrures,
de sulfures ou d'oxydes;
2) on lamine à chaud ladite brame sur un train à bandes, avec une ~ ldlUlf
de fin de laminage (TFL) situee entre le point Ar3 de la nuance coulée et 950 C;
3) à la sortie du train à bandes, on effectue un l~r.~ "r"l du produit en
deux étapes:
- étape 1: ~er~ ccr~ lent, à l'air, à une vitesse de 2 à 15 C/s, effectué
enttre TFL et une température dite "L~ ,ldlul~ de début de trempe" (TDT) située
entre 730 C et le point Arl de la nuance coulée; c'est au cours de ce It:r,..i,l;~r".r..~
o qu'a lieu la I-A~r~ III ferritique, sa durée ne doit pas, dans le cas général, être
inférieure à 3 s pour laisser à la lldll~ru-lllAliull ferritique (dont on rappelle qu'elle est
retardée par la présence des carbures et carbonitrures de niobium) de s'effectuer de
manière correcte; ce l~rluid;aar~ l ne doit pas, non plus, durer plus de 40 s pour ne
pas aboutir a des précipités de trop forte taille qui détérioreraient la résistance à la
traction de la tôle;
- étape 2: ~r,r~ui~isa~ l rapide, effectué par exemple par aspersion à l'eau, a
une vitesse de 20 a 150 C/s entre TDT et une tf l~ ldlUlt: dite "température de fin de
~r,.,;~ " (TFR) qui est inférieure ou egale à 300 C.
Une fois ces opérations réalisées, la tôle peut être bobinée, soit
immPfliAtPmpnt~ soit après un séjour à l'air.
Selon un deuxieme mode opératoire (N 2), applicable egalement à tous les
aciers de l'invention de manière aLdl.ddldisf c, et particulièremnt à ceux dont la teneur
en niobium est comprise entre 0,02 et 0,1 %, les opérations 1) et 2) sont les mêmes que
f f,lrllllllr"l En revanche, I'opération 3) comporte non plus deux, mais trois etapes
de refrr\ifliccPmPnt~ selon:
-étape 1: refroidissement rapide, à l'eau, à une vitesse de 20 à 150C/s,
s~lll moins de 10 s après la fin du laminage à chaud, entre TFL et une
température intermPfliAire (Tjnter) inférieure au point Ar3 de la nuance; pendant cette
opération, I'acier reste dans le domaine AllctPnitifllle;
- étape 2: rerl. ,i.l,~f Illrl,l lent, à l'air, à une vitesse de 2 à 15 C/s, d'une durée
supérieure à 5 s et inférieure à 40 s, entre Tjnter et TDT, qui est comprise entre le
point Arl de la nuance et 730 C; la transformation ferritique a lieu au cours de cette
étape, et la encore la fixation d'une durée minimale pour le refroif~iccPmPnt a pour but
d'assurer le bon déroulement de cette Lld"aru~llldLion malgré la présence de niobium;
- étape 3: l~rl",.l.~ ,l rapide, à l'eau, à une vitesse de 20 à 150 C/s, entre
TDT et TFR, cette dernière température étant inférieure ou e~ale à 300 C.
Le bobinage de la tôle peut ensuite être effectue, là encore avec ou sans un
séjour préalable à l'air.
_ _, . ... . ...
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Dans ce dernier mode opératoire, le l~rloid;a~ lL d l'eau de l'étape I de
l'opération 3) a pour fonction d'amener rapidement la tôle dans le domaine de
~l~u~arullllalion ferritique. Cette dernière commence alors ;I"",r l;~ après l'arrêt
du refr~ ic~m~nt à l'eau. Elle se fait donc plus vite et à plus basse L~llllu~;l~Lul~; que
5 dans le mode opératoire d deux étapes. Cela se traduit par:
- une l,dl.aro.l..alion pluâ rapide, donc plus complète pour une durée donnée
du refr~ 1ic~.~m.~nf à l'air, qui elle-même peut être limitée par la longueur de la table de
~r~ ."~..,
- une taille de grain ferritique plus faible;
- une ~ 7iLdLiOIl de carbures et de carbonitrures de niobium et titane plus
fine et durcissante.
Dans le cas où l'acier comporte une teneur en niobium relativement faible,
c'est à dire comprise entre 0,01 et 0,02 %,la fixation d'une durée minimale pour l'étape
de I~G.,i.l;`~,,,..,l lent à l'air de l'opération 3) des deux modes opératoires que l'on
15 vient de décrire n'est plus impérative, le niobium n'étant pas ~ lll présent pour
ralentir très ~ lll la llallaro~ ferritique.
On peut ainsi produire une tôle dont la résistance minimale garantie peut
s'ajuster entre 650 et 750 MPa, avec un rapport RelRm inférieur a 0,8, un coefficient
d'éw~u;aaa~;., d'au moins 0,13, et un ~ n~Pm~nt total d'au moins 15 %. La courbe de
20 traction ne presente pas de palier de limite d'élasticité, ce qui améliore le ~.oll~ lel..~,.ll
à l'~lllbuul;aad ~. Enfin, I'aspect de surface du produit décapé ne présente pas de
"tigrage". Les buts assignes à l'invention sont donc atteints
A titre d'exemplel des w~ liul~s de l'invention ont été effectuées sur
les nuances d'acier citées dans le tableau I (les teneurs en titane sont des teneurs
25 totales; les teneurs en titane efficace doivent être calculées comme on l'a expose):
Nuance C % Mn % P % Si % Cr % N % S % Nb % Ti %
A(référence) 0,072 0,982 0,040 0,190 0,750 0,0059 0,0021
B0,079 1,210 0,015 0,180 0,021 0,0048 0,0027 0,050 0,010
C0,080 0,990 0,040 0,200 0,750 0,0051 0,0020 0,080 0,061
Tableau 1: nuances d'acier testées
Ces exp~l;-l.~,.l~l;o,.a ont donné les résultats consignés dans le tableau 2, où t
désigne la durée de l'étape de ~r~ ,I"~"l à l'air pendant laquelle a lieu la
ll,.,.il`"l.,~li..l, ferritique, Rpo 2 désigne la limite conventionnelle d'élasticité d 0,2 %
d'~llon~m~nt rémanent et n le coefticient d'i~ l~Ju;aaa~, et où la colonne "mode de
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cr~ " se réfère aux deux principaux modes opératoires décrits
IJlé~f~
Nuance Mode de TDT t Rpo,2 Rm Rp0,2/Rm n
lcr.,-;<l~ (C) (s~ (MPa~ (MPa)
A (référence~ N 2 720 15 319 590 0,54 0,20
A (référence) N 2 650 15 308 570 0,54 0,20
B N 1 630 18 439 675 0,65 0,16
B N 2 700 15 449 680 0,66 0,16
B N 2 630 15 445 675 0,66 0,16
C N 2 720 15 515 765 0,67 0,14
C N 2 630 15 490 720 0,68 0,15
B N 1 730 6 550 590 0,93 0,12
B N 2 720 3 550 620 0,89 0,12
Tableau 2: Résultats expérimentaux
D'après ces résultats, on voit que lladdition de niobium et de titane à l'acier A
de référence dans les nuances B et C permet d'augmenter très ~ r l. 1 Ia résistance
de cet acier, en particulier lorsque le mode opératoire N 2 comportant un
10 ~rllli.l;~ en trois étapes est utilisé, tout en maintenant un rapport Rpo2/Rm
convenable. On remarque également, d'après les deux derniers essais mf ntionn.4, que
l'addition de niobium est inopérante lorsqu'on impose à la tôle un Icrl~7i(l;~ ll a l'air
trop bref pour que la lla..~ru.,.laliu.l ferritique puisse s'effectuer de façon ~ rA,~ r
la résistance n'est pas améliorée par rapport à la référence, alors que le rapport
Rpo 2/Rm est même ,rll~;l,l. ,llrl,l détérioré. La nuance B considérée lors de ces deux
essais est particulièrement sensible à ce facteur car sa teneur en silicium n'est pas très
élevée, et sa teneur en phosphore est basse, et cela ne favorise pas la llr"~l~" ~ ;on
ferritique, donc la formation de martensite. La phase dure est alors formée de bainite
et/ou de perlite.
La micrographie de la figure 1 montre la structure d'un acier l~ullc~lJu~ ll a
la nuance B à 0,050 % de niobium et 0,010 % de titane. Le refroil1iccPnn.~nt de la tôle
après laminage à chaud a été conduit selon le mode opératoire N 2. Les plages claires
sont de la ferrite equiaxe et Ic~éscl~lc-lL 85 % de la structure. Les plages sombres sont
de la martensite, et représentent pldli4UCII~III I'intégralité du restant de la structure.
Les aciers selon l'invention peuvent être employés notamment pour constituer
des pièces de structures de vehicules automobiles, telles que des éléments de châssis,
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des voiles de roue, des bras de suspension, ainsi que toutes pieces embouties devant
présenter une grande résistance aux ~ mPc~niq~
