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CA 02276911 1999-07-07
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Tôle d'acier laminée à chaud et à froid revêtue et comportant une très
haute résistance après traitement thermique.
L'invention concerne une tôle d'acier laminée à chaud et à froid, revêtue
et comportant une très haute résistance après traitement thermique.
Dans ce domaine technique, les solutions proposées entraînant une
augmentation des caractéristiques mécaniques se fait au détriment des
propriétés de mise en forme. Il existe une solution consistant à séparer les
propriétés de mise en forme et celles nécessaires à l'emploi. Les
caractéristiques nécessaires à l'emploi sont obtenues par un traitement
io thermique postérieur ou concomitant à la mise en forme. Dans ce cas, les
tôles
proposées ne sont pas livrées revêtues pour des problèmes de tenues du
revêtement lors du traitement thermique. Le revêtement est donc effectué sur
pièces finies ce qui nécessite un nettoyage soigné des surfaces et des parties
creuses. De plus le traitement thermique doit être effectué sous atmosphère
contrôlée afin d'éviter toute décarburation et oxydation du métal de la tôle.
Les
tôles en acier pour traitement thermique ne possèdent pas de pré-revêtement
ce qui nécessite des post traitements de dégraissage, décapage et revêtement.
Lors du revêtement en continu des produits plats laminés à chaud et à
froid, le recuit préalable et le refroidissement précédent ou suivant
l'opération
2o de revêtement, à base de zinc ou d'aluminium, ne sont utilisés que pour
amener la tôle à une température proche de celle du bain ou pour restaurer les
propriétés mécaniques de la tôle dégradées lors de laminage à froid. Ces
cycles thermiques sont choisis en fonction de la composition de l'acier afin
qu'aucune transformation allotropique n'ait lieu lors du cycle thermique,
l'objectif étant d'obtenir des caractéristiques mécaniques similaires à celles
mesurées sur les tôles d'acier livrées non revêtues.
Le but de l'invention est de produire une tôle d'acier laminée à chaud ou
à froid d'une épaisseur désirée, revêtue, et présentant des possibilités de
mise en forme étendues et qui après traitement thermique effectué sur la pièce
finie, permette d'obtenir une résistance mécanique supérieure à 1000 MPa,
une résistance aux chocs, à la fatigue, à l'abrasion et à l'usure importante
tout
en conservant une bonne résistance à la corrosion ainsi qu'une bonne aptitude
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à la peinture et au collage. Il est également possible de réaliser la mise en
forme à chaud avec trempe dans l'outil permettant d'obtenir les mêmes
propriétés.
L'invention a pour objet une tôle d'acier laminée à chaud, pouvant être
ensuite laminée à froid, revêtue, l'acier de la tôle ayant la composition
pondérale suivante :
0,15% < carbone < 0,5%
0,5% < manganèse < 3%
0,1% < silicium < 0,5%
0,01 % < chrome < 1 %,
titane < 0,2%,
aluminium < 0,1%,
phosphore < 0,1 %,
soufre < 0,05%,
0,0005% < bore < 0,08%, le solde étant du fer et des impuretés
inhérentes à l'élaboration, la tôle assurant une très haute résistance
mécanique
après traitement thermique et le revêtement à base d'aluminium assurant une
haute tenue à la corrosion.
Les autres caractéristiques de l'invention sont:
- la composition pondérale de la tôle est de préférence la suivante:
0,20% < carbone < 0,5%
0,8% < manganèse < 1,5%
0,1% < silicium <0,35%
0,01 % < chrome < 1 %,
titane < 0,1%,
aluminium < 0,1 %,
phosphore < 0,05%,
soufre < 0,03%,
0,0005% < bore < 0,01%, le solde étant du fer et des impuretés
is inhérentes à l'élaboration.
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- dans la composition pondérale de la tôle, la teneur en titane par rapport à
la
teneur en azote est supérieure à 3,42, le bore ne pouvant plus être combiné à
l'azote .
- le bain métallique pour le revêtement comprend dans sa composition
pondérale de base, de 9% à 10% de silicium, de 2% à 3,5% de fer, le solde
étant de l'aluminium.
- le bain métallique pour le revêtement comprend dans sa composition
pondérale de base, de 2% à 4% de fer, le solde étant de l'aluminium.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une piéce à
io partir de la tôle revêtue dans lequel après mise en forme, le revêtement de
la
pièce est soumis à une élévation de température à une vitesse supérieure à
5 C/ seconde pouvant dépasser 600 C/seconde.
Une autre caractéristique du procédé est:
- le revêtement et la pièce sont chauffés à une température supérieure à
750 C.
L'invention concerne aussi l'utilisation de la tôle d'acier laminée à chaud et
pouvant être ensuite laminée à froid et revêtue, pour des pièces de structure
et /ou anti-intrusion ou de soubassement pour véhicule terrestre à moteur
comme par exemple une poutre de pare choc, un renfort de portière, un bras
2o de roue...
La description qui suit fera bien comprendre l'invention.
La tôle selon l'invention qui est issue, du fait de son élaboration, d'un
train de laminage à chaud, peut éventuellement être relaminée à froid en
fonction de l'épaisseur finale désirée. Elle est ensuite revêtue d'un
revêtement
à base d'aluminium, par exemple au trempé dans un bain comportant en outre,
de 8% à 11 % de silicium, de 2% à 4% de fer, la tôle présentant une haute
résistance mécanique après traitement thermique et une haute tenue à la
corrosion, ainsi qu'une bonne aptitude à la peinture et au collage.
Le revêtement a notamment pour fonction de protéger la tôle de
3o base contre la corrosion à chaud comme à froid. Les caractéristiques
mécaniques à l'état de livraison de la tôle selon l'invention autorisent une
grande variété de mise en forme en particulier un emboutissage profond. Le
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traitement thermique appliqué lors d'un procédé de formage à chaud ou après
la mise en forme permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées
pouvant dépasser 1500 MPa pour la résistance mécanique et 1200 MPa pour
la limite d'élasticité. Les caractéristiques mécaniques finales sont
adaptables
et dépendent de la teneur en carbone de l'acier et du traitement thermique.
Lors du traitement thermique réalisé sur pièce finie ou lors d'un procédé
de formage à chaud, le revêtement forme une couche présentant une grande
résistance à l'abrasion, l'usure, la fatigue, le choc ainsi qu'une bonne tenue
à
la corrosion et une bonne aptitude à la peinture et au collage .
Selon l'invention l'acier dont la composition pondérale est la suivante :
0,15% < carbone < 0,5%
0,5% < manganèse < 3%
0,1% < silicium < 0,5%
0,01 % < chrome < 1 %,
titane < 0,2%,
aluminium < 0,1%,
phosphore < 0,1 %,
soufre < 0,05%,
0,0005% < bore < 0,08%, le solde étant du fer et des impuretés
inhérentes à l'élaboration est élaboré sous la forme d'une tôle laminée à
chaud
et éventuellement laminée à froid pour obtenir l'épaisseur désirée. La tôle
d'acier est ensuite revêtue au trempé, après décapage, dans un bain
d'aluminium contenant, soit de 8% à 11 % de silicium et 2% à 4% de fer, soit
de
2% à 4% de fer ou encore dans un bain d'aluminium contenant de préférence
de 9% à 10% de silicium et 2% à 3,5% de fer.
Dans un exemple de réalisation, d'un revêtement de la tôle au trempé
dans un bain métallique contenant un alliage d'aluminium comprenant une
proportion d'environ 90% d'aluminium, la couche de revêtement comporte une
première couche d'alliage en contact avec la surface de l'acier. Cette couche,
3o directement en contact avec la surface de la tôle est fortement alliée en
fer.
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Une seconde couche de revêtement, au dessus de la première, contient
environ, 90% d'aluminium et peut contenir, en fonction de la composition du
bain, du silicium et un peu de fer.
La première couche d'alliage peut se fissurer lorsque la tôle est mise en
s forme pour la fabrication de pièces.
Selon l'invention, après la mise en forme de la pièce, le revêtement est
soumis à une élévation de température à une vitesse supérieure à 5 C/
seconde pouvant dépasser 600 C/ seconde. Cette montée en température
permet une refusion rapide de l'aluminium qui colmate les fissures engendrées
io par l'opération de mise en forme de la pièce.
Un autre intérêt de l'invention réside dans le fait que la diffusion
du fer dans le revêtement sera initié à haute température. On aura donc une
meilleure cohésion entre revêtement et l'acier de la tôle. Dans une autre
forme
de l'invention, le traitement thermique peut être effectué localement, dans
des
is zones fortement déformées.
Dans un exemple de réalisation, la tôle d'acier selon l'invention
contenant 0,21% de carbone; 1,14% de manganèse; 0,020% de phosphore;
0,0038% de soufre; 0,25% de silicium; 0,040% d'aluminium; 0,009% de cuivre;
0,020% de nickel; 0,18% de chrome; 0,0040% d'azote; 0,032% de titane;
20 0,003% de bore; 0,0050% de calcium est revêtue d'une couche à base
d'aluminium ayant environ 20 pm d'épaisseur.
Selon l'invention, la tôle, à l'état de livraison en bobine ou en feuilles,
dont l'épaisseur peut être comprise entre 0,25 mm et 15 mm a de bonnes
propriétés de mise en forme ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion ainsi
25 qu'une bonne aptitude à la peinture et au collage.
La tôle, produit sidérurgique revêtu, présente une résistance importante
à la corrosion à l'état de livraison, pendant la mise en forme et les
traitements
thermiques ainsi que pendant l'usage de la pièce finie. Après traitement
thermique, on obtient une résistance mécanique importante pouvant dépasser
30 1500 MPa. La présence du revêtement lors du traitement thermique des pièces
permet d'éviter toute décarburation du métal de base ainsi que toute
oxydation.
Cela est un avantage indéniable, notamment, dans le cas de la mise en forme
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à chaud. De plus, le chauffage de la pièce traitée ne nécessite pas un four
ayant une atmosphère contrôlée pour éviter une décarburation.
Le traitement thermique du métal de la tôle consiste en un chauffage à
une température comprise entre Ac1, température de début de transformation
austénitique, par exemple, 750 C et 1200 C, dans un four, pendant un temps
qui est fonction de la température à atteindre et l'épaisseur de la tôle de la
pièce. La composition est optimisée afin de limiter le grossissement des
grains
lors du traitement thermique. Si la structure visée est totalement
martensitique,
la température de maintien doit être supérieure à Ac3, par exemple 840 C,
io température de fin de formation austénitique. Le maintien en température
doit
être suivi d'un refroidissement adapté à la structure finale visée. Pour une
structure totalement martensitique et pour un acier ayant la composition de
l'exemple, la vitesse de refroidissement doit être supérieure à la vitesse
critique
de trempe qui est 27 C/s pour une austénitisation à 900 C pendant 5 mn, la
tôle ayant une épaisseur de 1 mm environ.
Il est également possible d'obtenir des structures notamment, ferrito-
bainitiques, ou ferrito-martensitiques, par un chauffage à une température
comprise entre Ac1, par exemple, 750 C et Ac3, par exemple, 840 C suivi d'un
refroidissement approprié. Suivant le niveau de résistance à atteindre et le
traitement thermique appliqué, une ou plusieurs des ces phases sont présentes
dans des proportions variables. Pour des niveaux de résistance les plus
élevés,
la structure est majoritairement composée de martensite.
Le chrome, le manganèse, le bore et le carbone sont ajoutés, dans la
composition de l'acier selon l'invention, pour leur influence sur la
trempabilité.
De plus, le carbone permet d'atteindre de hautes caractéristiques mécaniques
grâce à son effet sur la dureté de la martensite.
L'aluminium est introduit dans la composition afin de piéger l'oxygène et
de protéger l'efficacité du bore.
Le titane dont le rapport de la teneur par rapport à la teneur en azote
3o doit être supérieure à 3,42 est introduit afin d'éviter la combinaison du
bore
avec l'azote, l'azote étant combiné avec le titane.
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Les éléments d'alliages, Mn, Cr, B, permettent une trempabilité
autorisant la trempe dans les outils d'emboutissage ou l'utilisation de
fluides de
trempe peu sévères limitant la déformation des pièces lors du traitement
thermique. De plus la composition selon l'invention est optimisée du point de
vue de la soudabilité.
L'acier de la tôle peut subir un traitement de globulisation des sulfures
effectué avec du calcium qui a pour effet d'améliorer la résistance à la
fatigue
de la tôle.
L'acier est particulièrement adapté pour la réalisation de pièces de
lo structure et anti intrusion.
Le revêtement proposé permet d'éviter différentes opérations de
préparation de surface comme pour les tôles en acier pour traitement
thermique ne possédant pas de revêtement.
La modulation des paramètres de traitement thermique permet
d'atteindre, avec une composition donnée, différents niveaux de résistance en
tôle à chaud et en tôle à froid suivant l'épaisseur visée.
Lors du traitement thermique, le revêtement à base par exemple
d'aluminium se transforme en une couche alliée au fer et comportant
différentes phases dépendant du traitement thermique et présentant une
grande dureté pouvant dépasser 600HV100g.
Le tableau 2 présente un exemple de résistance maximale de la
tôle d'acier selon l'invention après traitement thermique.
Traitement Rm (Mpa)
thermique
850 C/5 mn 1695
900 C/5 mn 1675
950 C/5 mn 1665
