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CA 02311172 2000-06-06
SOL 99/033
PROCEDE DE FABRICATION DE TOLES APTES A L'EMBOUTISSAGE PAR
COULEE DIRECTE DE BANDES MINCES, ET TOLES AINSI OBTENUES
L'invention concerne le domaine de la fabrication de tôles en acier de faible
épaisseur destinées à être embouties. Plus précisément, il concerne les tôles
en acier
ordinaire à basse et très basse teneur en carbone.
De manière classique, les tôles de faible épaisseur (0,5 à 1,5 mm) en acier au
carbone destinées à être embouties et utilisées, par exemple dans l'industrie
automobile,
sont obtenues par la filière de fabrication suivante :
- coulée continue de brames d'épaisseur 200 mm environ ;
- laminage à chaud desdites brames jusqu'à obtenir des bandes d'une épaisseur
de
l'ordre de 4 mm ;
- laminage à froid, recuit (base ou continu) et passage dans un laminoir
écrouisseur (skin-pass) desdites bandes (opérations que l'on désigne par le
terme
traitements à froid , même si pour certains,tels que le recuit, un
réchauffage est
nécessaire), que l'on découpe ensuite pour obtenir des tôles.
La composition de ces tôles peut être résumée comme suit (les pourcentages
sont
des pourcentages pondéraux).
Pour les tôles dites à bas carbone , on doit avoir une teneur en carbone
inférieure à 0,1%, préférentiellement inférieure à 0,03%, avec encore plus
préférentiellement une somme des teneurs en carbone et azote inférieure à
0,03%, une
teneur en manganèse comprise entre 0,03 et 0,3%, une teneur en silicium
comprise entre
0,05 et 0,3%, une teneur en phosphore comprise entre 0,01 et 0,1%. Lorsqu'on
désire des
tôles ayant une résistance particulièrement élevée, on impose une teneur en
carbone
inférieure à 0,03% et une teneur en manganèse comprise entre 0,3 et 2%. Des
ajouts de
bore (jusqu'à 0,008%) et de titane (de 0,005 à 0,06%) dans les tôles à bas
carbone sont
également possibles.
Pour les tôles dites à ultra-bas carbone , on doit avoir une teneur en
carbone
inférieure à 0,007%, et préférentiellement une teneur en azote également très
faible, ne
3o dépassant pas quelques dizaines de ppm. Les teneurs des autres éléments
sont les mêmes
que pour les tôles à bas carbone, avec optionnellement des microadditions de
titane (de
0,005 à 0,06%) et/ou de niobium (0,001 à 0,2%).
Un procédé pouvant se substituer au précédent consiste à couler l'acier en
brames
de faible épaisseur à leur sortie de la lingotière de coulée continue (par
exemple 40 à 100
mm) et à procéder ensuite à leur laminage à chaud sur des cages de laminoir en
ligne avec
l'installation de coulée, ce laminage pouvant comporter diverses étapes lors
desquelles
l'acier se trouve à l'état ferritique ou austénitique (voir le document WO
97/46332). Dans
ce procédé, au moins un réchauffage de la brame, précédant le premier laminage
à chaud,
est nécessaire, ainsi que des refroidissements et réchauffages ultérieurs
permettant de
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réaliser les transformations métallurgiques du produit désirées. On peut
réaliser ainsi divers
types de produits, notamment des tôles à formabilité élevée pour l'industrie
automobile.
Dans les procédés précédents, utilisant des laminoirs à chaud classiques pour
l'obtention de l'épaisseur finale de la bande avant son laminage à froid, la
vitesse de
défilement de la bande en sortie de l'installation de laminage à chaud est de
l'ordre de 600
à 950 m/min selon, notamment, l'épaisseur du produit. Ces vitesses sont
relativement
élevées, par rapport, notamment, aux vitesses de défilement habituelles des
produits dans
les installations assurant les traitements à froid des bandes obtenues
dans la suite du
processus de fabrication, par exemple dans les lignes de recuit compact, de
revêtement au
trempé ou d'électrodéposition. Cela induit des différences de productivité
entre ces
diverses installations, qui obligent à stocker les produits dans leurs états
intermédiaires
sous forme de bobines, dans l'attente des traitements à froid . Cela conduit
à une gestion
du flux des produits qui n'esf pas optimale, même dans le cas le plus
favorable où toutes
les installations de coulée, de laminage et de traitements à froid
seraient regroupées sur
le même site industriel.
Le but de l'invention est de procurer une méthode de fabrication de tôles à
haute
emboutissabilité ayant une productivité meilleure que les méthodes
traditionnelles, par un
raccourcissement des filières de fabrication.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de tôles
d'acier
aptes à l'emboutissage obtenues à partir d'une bande, caractérisé en ce que :
- on coule directement à partir de métal liquide une bande d'acier d'épaisseur
1,5 à
10 mm ayant la composition en pourcentages pondéraux : carbone moins de 0,1%,
manganèse de 0,03 à 2%, silicium de 0 à 0,5%, phosphore de 0 à 0,1%, bore de 0
à
0,002%, titane de 0 à 0,15%, le reste étant du fer et des impuretés résultant
de l'élaboration
- on procède à un premier laminage à chaud en une ou plusieurs étapes de
ladite
bande, en phase austénitique, à une température comprise entre 950 C et la
température Ar3
de ladite bande avec un taux de réduction global d'au moins 10% ;
- on procède à un second laminage à chaud en une ou plusieurs étapes de ladite
bande, en phase ferritique, à une température inférieure à 850 C, avec un taux
de réduction
global de 50% au moins en présence d'un lubrifiant, afin d'obtenir une tôle
laminée à
chaud d'épaisseur inférieure ou égale à 2 mm ;
- et on procède à une recristallisation complète sur toute l'épaisseur de
ladite
bande par un séjour entre 700 et 800 C.
La bande peut ensuite subir des traitements à froid, ou être découpée pour
former
des tôles qui seront mises en forme directement.
L'invention a également pour objet une tôle susceptible d'être obtenue à
partir de
bandes produites par le procédé précédent.
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Comme on l'aura compris, l'invention repose d'abord sur l'utilisation d'un
procédé de coulée directe de bandes minces à partir de métal liquide, connu en
lui-même.
Le procédé de coulée de la bande entre deux cylindres horizontaux refroidis
intérieurement
et mis en rotation en sens inverses est bien adapté à cet effet. La bande
sortant des cylindres
est ensuite soumise à des traitements thermiques et thermomécaniques qui la
rendent apte à
subir les habituelles opérations de traitement à froid que l'on applique aux
bandes laminées
à chaud obtenues par des méthodes traditionnelles. Les productivités
respectives
habituelles d'une installation de coulée directe de bandes minces et des
installations de
traitement à froid desdites bandes étant très comparables, la gestion de la
production des
io tôles aptes à l'emboutissage s'en trouve très simplifiée. Il est même,
parfois, possible de se
passer totalement de l'étape de laminage à froid, nécessaire dans les filières
classiques, ce
qui rend la fabrication des tôles et des produits qui en résultent plus rapide
et plus
économique.
L'utilisation d'une installation de coulée de bandes minces entre cylindres
pour
obtenir des bandes en acier au carbone d'épaisseur de 1,5 à 10 mm est
aujourd'hui bien
connue. Dans certains cas (par exemple dans le document WO 95/26840), on
pratique sur
ces bandes un laminage à chaud en ligne. Il est également connu de pratiquer
sur ces
bandes divers traitements thermiques par des cycles de réchauffage et/ou
refroidissement
en ligne, afin d'influer sur la structure métallurgique des bandes, par
exemple d'affiner la
taille de leurs grains par des changements de phase a-> y-+ a (voir les
documents JP 61-
189846 et JP 63-115654).
Le procédé selon l'invention est particulièrement adapté à la fabrication de
tôles à
emboutissabilité élevée, en acier à basse (moins de 0,1%, préférentiellement
moins de
0,05%) et ultra-basse (moins de 0,007%) teneur en carbone. Leur teneur en
manganèse peut
varier de 0,03 à 2%, les teneurs les plus élevées (à partir de 0,3%)
correspondant aux aciers
pour lesquels une résistance particulièrement élevée est requise. Leur teneur
en silicium
peut aller de 0 à 0,5%. leur teneur en phosphore va de 0 à 0,1%. Dans le cas
général, des
ajouts de bore (jusqu'à 0,002%) et de titane (jusqu'à 0,15%) sont possibles.
Préférentiellement, ces aciers ont une basse teneur en azote. Pour les aciers
à bas carbone,
la somme des teneurs en carbone et azote ne dépasse optimalement pas 0,03%.
Pour les
aciers à ultra-basse teneur en carbone, la somme des teneurs en carbone et
azote ne doit
optimalement pas dépasser 0,007%. Ces aciers à ultra-basse teneur en carbone
peuvent
également contenir de faibles quantités d'éléments tels que du titane et du
niobium (avec Ti
+ Nb ne dépassant pas 0,04%) dont la fonction est de piéger le carbone et
l'azote sous
forme de carbonitrures. D'autres éléments chimiques résultant de l'élaboration
du métal
peuvent être présents en tant qu'impuretés ne modifiant pas radicalement les
propriétés des
tôles obtenues grâce aux compositions que l'on vient de décrire. Les ultra-
basses teneurs en
carbone et azote sont préférées, car ces éléments seront en solution solide au
cours de la
déformation, compte tenu du procédé de fabrication des tôles selon l'invention
; leur
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présence peut créer des problèmes de vieillissement dynamique pendant la
déformation, et
donc augmenter les efforts de laminage à appliquer dans le domaine ferritique.
Conformément au procédé selon l'invention, on procède à la coulée directement
à
partir de métal liquide d'une bande mince de 1,5 à 10 mm d'épaisseur, le plus
souvent de
1,5 à 4 mm d'épaisseur. La coulée de cette bande entre deux cylindres, comme
on l'a dit,
est bien adaptée à ce procédé et aux épaisseurs les plus couramment coulées,
et c'est cet
exemple non limitatif qui sera envisagé dans la suite de la description.
La bande solidifiée sortant de l'espace de coulée délimité par les cylindres
traverse
ensuite, optimalement, une zone dans laquelle on prend des mesures pour éviter
ou au
moins fortement limiter la formation de calamine à sa surface, telle qu'une
enceinte inertée
par une atmosphère non oxydante, c'est à dire une atmosphère neutre (azote,
argon) ou
réductrice (atmosphère comportant de l'hydrogène), dans laquelle la teneur en
oxygène est
abaissée autant que possible. On peut également choisir de laisser la calamine
se former
naturellement sur une certaine distance, puis enlever la calamine formée, par
exemple à
l'aide de brosses ou d'un dispositif projetant des grenailles ou du C02 solide
sur la surface
de la bande. Un tel dispositif peut aussi être installé à la sortie d'une zone
d'inertage pour
enlever la faible quantité de calamine qui s'y serait éventuellement formée.
Immédiatement après la zone d'inertage ou de décalaminage (lorsqu'elles
existent), la bande subit un premier laminage à chaud en ligne. C'est
notamment à cause de
ce laminage que la présence de calamine à la surface de la bande doit
optimalement être
évitée, car la présence de calamine impose des efforts de laminage plus
importants qu'en
son absence. De plus, la calamine peut s'incruster dans la surface de la bande
lors du
laminage, et on obtient alors un médiocre état de surface du produit final, ce
qui peut
rendre ce produit final impropre aux utilisations les plus exigeantes de ce
point de vue. Ce
premier laminage a lieu dans le domaine de températures compris entre 950 C et
la
température Ar3 de la nuance coulée, c'est à dire dans la zone inférieure du
domaine
austénitique. Son rôle est multiple. D'une part, il permet de refermer les
porosités centrales
qui ont pu éventuellement se former au corur de la bande lors de sa
solidification. D'autre
part, il casse la microstructure issue de la solidification et permet de
former des grains
3o de ferrite à partir d'une austénite écrouie. Enfin, il a une influence
bénéfique sur l'état de
surface de la bande en diminuant sa rugosité. Pour atteindre ces objectifs, un
taux de
réduction minimal de 10% est à prévoir, et un taux de l'ordre de 20% est
typiquement
pratiqué. Il est généralement obtenu au moyen d'un passage de la bande dans
une cage de
laminoir unique comportant de manière connue une paire de cylindres de travail
(et
d'éventuels cylindres de soutien), mais on peut l'exécuter de manière
progressive par
passage de la bande dans plusieurs telles cages successives.
Après ce premier laminage à chaud en phase austénitique, on laisse ensuite la
bande se refroidir et passer dans le domaine ferritique, où elle va subir un
second laminage
à chaud. Ce refroidissement peut avoir lieu de manière naturelle, par simple
rayonnement
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de la bande à l'air libre, ou peut être obtenu de manière forcée par
projection d'air ou d'eau
sur la surface de la bande, ce qui permet de raccourcir le chemin parcouru par
la bande
entre les deux étapes de laminage. Le refroidissement forcé peut avoir lieu,
au choix de
l'opérateur, avant, pendant, ou après la transformation ferritique de la
bande, ou à plusieurs
5 de ces stades. Les modalités exactes du refroidissement forcé dépendent des
paramètres
opératoires de la coulée, tels que l'épaisseur de la bande, sa vitesse de
défilement, la
distance entre les deux laminoirs, etc. L'essentiel est qu'au moment où la
bande subit son
second laminage à chaud, elle se trouve dans le domaine ferritique à une
température
inférieure à 850 C, préférentiellement inférieure à 750 C pour avoir une
structure écrouie
lo et éviter une recristallisation.
Ce second laminage à chaud a lieu avec un taux de réduction d'au moins 50%, de
préférence au moins 70%, obtenu par passage de la bande dans une cage unique
ou dans
plusieurs cages successives. Il a pour objectif de développer les textures du
produit qui
seront par la suite favorables aux propriétés d'emboutissabilité. Les taux de
déformation
élevés favoriseront le développement de l'orientation cristalline { 111 } au
cours de la future
recristallisation. Il faut que ce laminage soit effectué en présence d'un
lubrifiant, afin
d'homogénéiser les textures dans l'épaisseur de la tôle en évitant le
développement des
textures de cisaillement au quart de l'épaisseur de la bande. Cela permet
aussi de réduire
les efforts à exercer sur la bande lors de la déformation ferritique.
Si cela apparaît nécessaire, on peut prévoir entre le premier et le second
laminage
à chaud des moyens d'inertage et/ou de décalaminage de la bande similaires à
ceux
précédemment décrits, afin d'éviter que le second laminage ne s'effectue sur
une bande
légèrement calaminée. A cause des forts taux de réduction appliqués lors du
second
laminage à chaud, il faut éviter les incrustations de calamine à ce stade si
on veut obtenir
un excellent état de surface de la bande.
Après le second laminage, la bande à l'état ferritique doit être
recristallisée. A cet
effet, elle peut être bobinée à haute température, entre 700 et 800 C
(typiquement 750 C),
afin que sa recristallisation soit complète sur toute son épaisseur et qu'on
soit assuré
d'obtenir une texture optimale. Si après le second laminage la température de
la bande est
inférieure à 700 C, la bande doit subir un réchauffage pour la ramener dans la
gamme de
températures désirée. Ce réchauffage sera, dans la plupart des cas, de l'ordre
d'une centaine
de degrés et peut être obtenu en faisant passer la bande dans un four à
induction.
L'avantage d'un four à induction par rapport à un four équipé, par exemple, de
brûleurs à
gaz, est qu'il perrnet d'obtenir un réchauffage du produit rapide, et surtout
homogène sur
l'ensemble de l'épaisseur de la bande. De fait, la recristallisation peut
alors avoir lieu au
moins en grande partie au cours de ce réchauffage. Les vitesses de réchauffage
de la bande
qu'on peut habituellement obtenir par des fours à induction de configuration
et de
puissance habituelles (de 0,5 à 1,5 MW/mm2 de bande) permettent d'obtenir un
réchauffage d'environ 100 C d'une bande de 0,75 mm d'épaisseur dans un four
d'une
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longueur de 2 m environ. L'implantation d'un tel four entre la seconde
installation de
laminage et l'installation de bobinage est donc tout à fait possible sur une
installation de
coulée de bandes minces classique sans l'allonger démesurément. Pour le
réchauffage des
bandes les plus minces, on peut utiliser avec profit un inducteur du type à
flux transverse,
dont la puissance atteint de 1 à 3MW/mm2 de bande, tel que décrit dans le
document
High flux induction for the fast heating of steel semi-product in line with
rolling de G.
PROST, J. HELLEGOUARC'H, JC. BOURHIS et G. GRIFFAY, Proceedings of the XIII
International Congress On Electricity Applications, Birmingham, June 1996.
Les tôles à chaud obtenues par le procédé selon l'invention ont une épaisseur
1o inférieure ou égale à 2 mm, de préférence inférieure ou égale à 1 mm, en
fonction de
l'épaisseur de la bande initiale et des taux de laminage qui lui sont
appliqués. Selon les
usages envisagés, il est possible de les utiliser directement, surtout si leur
épaisseur est
particulièrement faible, inférieure par exemple à 0,7 mm (alors que les tôles
à chaud
obtenues par les procédés traditionnels sont trop épaisses pour une
utilisation directe), ou
de leur faire subir ensuite les opérations de traitement à froid
habituelles : laminage à
froid, recuit (recuit continu ou recuit base), skin-pass, notamment si on
désire obtenir au
final des tôles très minces. A ces opérations peuvent s'ajouter les
traitements de surface
habituels (décalaminage, décapage...) qui les accompagnent dans les procédés
classiques de
fabrication de tôles pour emboutissage.
Enfin, comme la vitesse de défilement des bandes en sortie du second larninoir
à
chaud est généralement inférieure à 250 m/mn, elle est compatible avec une
exécution en
ligne d'au moins la première desdites opérations de transformation à froid .
En
particulier, si on a pu obtenir par le réchauffage une exécution complète de
la
recristallisation suivant le second laminage, on peut envisager de se passer
du bobinage, et
d'introduire la bande (après l'avoir éventuellement refroidie ou laissée se
refroidir à une
température adéquate) directement dans une ou plusieurs installations
successives de
traitement à froid : laminoir à froid, recuit continu, skin-pass, ligne de
revêtement.
