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Procédé de réalisation d'une bande de tôle laminée à chaud à très haute
résistance, utilisable pour la mise en forme et notamment pour l'emboutissage.
L'invention concerne un procédé de réalisation d'une bande de tôle laminée à
chaud à très haute résistance, utilisable pour la mise en forme et notamment
pour
l'emboutissage.
Dans le domaine de la construction mécanique et plus précisément de
l'automobile, l'équipement notamment de sécurité, de confort, et la nécessité
d'économie d'énergie ont entraîné une recherche de l'allégement tout en
conservant
io les propriétés de tenue en service des pièces embouties. La tenue en
fatigue, en
particulier, est un critère essentiel puisqu'elle définit la durée de la vie
de ces pièces.
Afin d'améliorer cette tenue en fatigue, une solution consiste en
l'utilisation d'aciers à
très haute résistance. Il existe effectivement une relation linéaire entre la
limite
d'endurance et la résistance mécanique. Il est alors possible d'utiliser des
tôles avec
des épaisseurs réduites, ce qui contribue à l'allégement tout en gardant
inchangée la
tenue en service. Il faut néanmoins que l'acier soit apte à l'emboutissage.
Or, en
général, les propriétés de mise en forme diminuent avec l'augmentation de la
résistance mécanique.
Dans la gamme des aciers laminés à chaud, dont les caractéristiques
mécaniques sont obtenues par laminage contrôlé sur train à large bande, il
existe
notamment trois types d'aciers laminés à chaud ayant des caractéristiques
mécaniques élevées avec une limite d'élasticité comprise entre 315 MPa et 700
MPa.
- Les aciers HLE dits à haute limite élastique qui sont les aciers microalliés
présentant une limite d'élasticité comprise entre 315 MPa et 700 MPa, mais une
aptitude au formage limitée, du fait en particulier, d'un rapport Re/Rm
compris entre
0,85 et 0,9.
- Les aciers Dual-Phase, pour leur part, sont des aciers de structure
ferritique
martensitique ayant des propriétés de mise en forme remarquables, mais
présentant
3o des niveaux de résistance mécanique ne dépassant pas 600 MPa.
- Les aciers dits HR qui sont des aciers au carbone et au manganèse
subissant après laminage un refroidissement rapide associé à un bobinage à
basse
température pour leur conférer une structure ferrito bainitique. Ces aciers
ont des
propriétés de mise en forme intermédiaires entre les aciers HLE et les aciers
Dual-
..___
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phase. Par exemple, l'acier HR 55 a un niveau de résistance minimal de 540
MPa, et
présente une bonne aptitude à l'emboutissage, avec un rapport Re/Rm compris
entre 0,75 et 0,8. De plus, cet acier est soudable et possède une excellente
aptitude
à subir une mise en forme du type relevé de collerette. L'obtention d'un acier
du type
HR60 nécessite de recourir soit, à l'ajout d'un élément de microalliage, par
exemple
le niobium, qui donne à cet acier des caractéristiques proches de celles d'un
acier
HLE soit, d'augmenter les teneurs en carbone ou en manganèse de l'acier du
type
HR55 conduisant à une composition pouvant entraîner des difficultés dans le
domaine du soudage par résistance.
io Les familles d'aciers cités ci-dessus ont donc des limites dans leurs
caractéristiques mécaniques et leurs comportements.
Une solution métallurgique pour améliorer le compromis résistance
mécanique et allongement consiste en l'usage des aciers TRIP de structure
ferrite-
bainite- austénite résiduelle. Dans ce type de structure, le compromis
résistance
is mécanique et allongement est nettement amélioré par la présence, dans la
microstructure, d'austénite résiduelle. Il faut dans ce cas que la quantité
d'austénite
résiduelle soit supérieure à 5%.
D'autre part, la présence de martensite dans une telle microstructure
empêche l'amélioration de l'emboutissabilité du fait de la présence
d'austénite
2o résiduelle.
Une première possibilité d'obtention des aciers TRIP est l'utilisation
d'aciers
de composition du type C-Mn-Si >1%. Ces compositions présentent l'inconvénient
de générer la formation de fayalite du fait de la présence de silicium.
Une autre possibilité est l'utilisation d'aciers de composition du type C-Mn-
Al.
25 Cette composition présente une insuffisance d'austénite résiduelle.
L'obtention d'austenite résiduelle n'est possible que pour un intervalle de
température de bobinage restreint compris entre 350 C et 400 C aussi bien pour
les
aciers du type TRIP C-Mn-Al que pour les aciers TRIP C-Mn-Si.
Une température de bobinage inférieure à 350 C entraîne l'apparition de
30 martensite, ce qui dégrade notamment la formabilité des aciers. Une
température de
bobinage trop élevée conduit à une structure purement ferito-bainitique sans
austénite résiduelle donc sans amélioration de la formabilité. En effet, la
présence
d'austénite résiduelle doit être supérieure à 5% pour obtenir un effet sur la
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formabilité des aciers réalisés. En dessous de cette valeur, son influence est
pratiquement nulle.
Industriellement, les températures de bobinage dans le domaine précisé ci-
dessus sont particulièrement difficiles à obtenir. En effet, le domaine de
température
de bobinage entre 350 C et 400 C correspond à une zone d'instabilité des
échanges
thermiques entre la bande d'acier et l'eau de refroidissement, du fait de la
rupture du
film de vapeur d'eau faisant écran entre le métal chaud et l'eau de
refroidissement.
Ce phénomène entraîne une augmentation brutale du coefficient d'échange
thermique dans la zone concernée ce qui entraîne, sur la bande d'acier
laminée, une
io hétérogénéité de microstructure préjudiciable à la régularité des
propriétés
mécaniques du produit fini. L'obligation d'utiliser des températures de
bobinage
basses associées au caractère allié des compositions TRIP entraîne des
difficultés
de réalisation. Il est donc recherché une augmentation de la température de
bobinage afin de profiter d'une ductilité plus importante à haute température.
Le but de l'invention est la mise au point d'un procédé de réalisation d'une
bande d'acier de type TRIP à très haute résistance présentant de bonnes
propriétés
de mise en forme.
L'objet de l'invention concerne un procédé de réalisation d'une bande de tôle
d'acier laminé à chaud à très haute résistance utilisable pour la mise en
forme et
2o notamment l'emboutissage qui se caractérise en ce que l'acier de
composition
pondérale suivante :
0,12% <_ carbone <_ 0,25%,
1 % <_ manganèse < 2%,
0,03% < aluminium <_ 2,5%,
0,03% <_ silicium <_ 2%,
0,04% <_ chrome <_ 2%,
0,02% < phosphore <_ 0,09%,
soufre < 0,01 %, et de manière optionnelle,
titane <_ 0,15%,
3o niobium <_ 0,15%,
vanadium <_ 0,15%, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles,
est soumis à :
- un laminage à une température inférieure à 880 C,
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- un premier refroidissement court, effectué dans un temps inférieur à 10
secondes,
- un deuxième refroidissement contrôlé avec une vitesse de refroidissement V
refl
comprise entre 20 C/ seconde et 150 C/seconde en fonction de l'épaisseur de la
bande d'acier laminée, la température de fin de deuxième refroidissement étant
au
dessous du point Ar3 de la transformation de l'austénite en ferrite, la
température de
la fin du deuxième refroidissement étant comprise entre 700 C à 750 C,
- un maintien sur un palier de température associé à un refroidissement lent,
la
vitesse de refroidissement étant comprise entre 3 C/seconde et 20 C/seconde
jusqu'à une température de fin de palier comprise entre 700 C et 640 C,
io - un troisième refroidissement également contrôlé dont la vitesse est
comprise entre
20 C/seconde et 150 C/seconde, refroidissement liée à l'épaisseur de la bande
de
tôle; la température de la fin du troisième refroidissement étant comprise
entre
350 C et 550 C.
Les autres caractéristiques de l'invention sont:
- la composition pondérale comprend moins de 0,5% de silicium,
- les refroidissements sont effectués sous air,
- l'acier est laminée à chaud pour obtenir une bande de tôle laminée à chaud
dont
l'épaisseur est comprise entre 1,4 mm et 6 mm.
L'invention concerne également une tôle d'acier laminée à chaud obtenue par le
procédé comportant dans sa composition pondérale :
0,12% <_ carbone <_ 0,25%,
1 % <_ manganèse < 2%,
0,03% < aluminium < 2,5%,
0,03% <_ silicium <_ 2%,
0,04% <_ chrome < 2%,
0,02% <_ phosphore <_ 0,09%,
soufre <_ 0,01 %, et de manière optionnelle,
titane < 0,15%,
niobium <_ 0,15%,
vanadium <_ 0,15%, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles,
Les autres caractéristiques de l'invention sont :
- la tôle d'acier laminée à chaud comprend dans sa composition pondérale moins
de
0,5% de silicium,
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- la tôle laminée à chaud a une épaisseur comprise entre 1,4 mm et 6 mm.
La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre
d'exemple
non limitatif fera bien comprendre l'invention.
La figure 1 présente un schéma du refroidissement de la bande de tôle
5 laminée à chaud selon l'invention.
La figure 2 présente la variation de la teneur en austénite en fonction de la
température de bobinage pour des exemples d'aciers selon l'invention en
comparaison avec des aciers de référence TRIP C-Mn-Si et TRIP 0%Cr.
Selon l'invention, un acier dont la composition pondérale est la suivante :
0,12% <_ carbone <_ 0,25%,
1 % <_ manganèse <_ 2%,
0,03% <_ aluminium <_ 2,5%,
0,03% < silicium <_ 2%,
0,04% < chrome <_ 2%,
0,02% <_ phosphore < 0,09%,
soufre < 0,01 %, et de manière optionnelle,
titane <_ 0,15%,
niobium <_ 0,15%,
vanadium <_ 0,15%, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles,
est soumis à un laminage à chaud à une température inférieure à 880 C afin
d'affiner sa structure par écrouissage.
Un premier refroidissement court, par exemple à l'air, est effectué dans un
temps inférieur à 10 secondes pour l'obtention de grains fins et pour éviter
l'apparition de la phase de perlite en cours de refroidissement. L'acier est
ensuite
soumis à un deuxième refroidissement contrôlé dont la vitesse est comprise
entre
20 C/seconde et 150 C/seconde, cela en fonction de l'épaisseur de la bande
d'acier
laminée traitée. La vitesse de refroidissement, contrôlée selon l'invention,
assure
une germination importante de la phase ferritique. La température de la fin du
3o deuxième refroidissement est comprise dans un intervalle de température
variant de
700 C et 750 C, c'est-à-dire en dessous du point Ar3 de la formation de
l'austénite
en ferrite.
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La tôle est ensuite maintenue sur un palier de température où elle subit un
refroidissement lent, par exemple à l'air, avec une vitesse de refroidissement
comprise entre 3 C/seconde et 20 C/seconde pour atteindre une température de
fin
de palier comprise entre 700 C et 640 C. Le maintien de la bande d'acier sur
ce
palier assure la formation d'un taux de ferrite comprise entre 40% et 70%. II
permet
d'enrichir en carbone l'austénite résiduelle, non transformée en ferrite,
retardant sa
formation au cours du refroidissement.
La tôle d'acier laminée à chaud, après le maintien en température sur le
palier
est soumise à un troisième refroidissement également contrôlé, dont la vitesse
est
io comprise entre 20 C/seconde et 150 C/seconde, liée à l'épaisseur de la
bande de
tôle traitée et cela jusqu'à une température comprise entre 350 C et 525 C de
façon
à compléter l'enrichissement de l'austénite résiduelle au cours de la
transformation
qui débute à une température d'environ 640 C.
Par exemple, les vitesses de refroidissement Vrefl et Vref2 sont comprises
entre 20 C/s et 50 C/S pour des épaisseurs de tôle comprises entre 4,5 mm et 6
mm
et comprises entre 50 C/S et 150 C/s pour des épaisseurs comprises entre 1,4
mm
et 4,5 mm.
La structure finale de l'acier laminé à chaud est composé de ferrite, de
bainite
et d'austénite résiduelle à une teneur supérieure à 5%, ce qui permet
d'atteindre une
2o résistance mécanique supérieure à 700 MPa, avec des valeurs de
l'allongement
réparti supérieure à 10% et un allongement à la rupture supérieur à 25%.
Du point de vue des éléments contenus dans la composition, selon l'invention,
le carbone stabilise l'austénite. Le manganèse permet d'abaisser les points de
transformation Ar3, Bs et Ms correspondant respectivement à la température de
début de la transformation ferritique, à la température de début de la
transformation
bainitique et la température de début de la transformation martensitique.
L'aluminium et le silicium évite la diffusion de carbone et assure la
stabilisation de l'austénite par leur effet sur le carbone. Le silicium et
l'aluminium ont
un même effet se complétant. Il est toutefois préférable de maintenir le
silicium à des
teneurs faibles pour éviter la formation de fayalite générant des défauts de
surface
qui apparaissent après décapage. La présence de phosphore et de chrome,
éléments alphagènes, permet de favoriser la formation de la phase ferritique
au
cours du maintien sur le palier de température. La proportion de ferrite
formée est
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alors importante et l'enrichissement en carbone de l'austénite résiduelle
permet la
stabilisation de cette phase dans un domaine de température de bobinage
important.
Le titane, niobium et vanadium éléments introduits dans la composition de
manière
optionnelle sont des éléments de micro alliage qui peuvent être ajoutés dans
la
composition de l'acier pour obtenir un durcissement par précipitation et
affiner la
taille de grain de la ferrite. Cela permet d'obtenir une résistance mécanique
plus
élevée en réduisant légèrement l'allongement réparti.
La composition de l'acier selon l'invention permet d'obtenir une
microstructure
de type ferrite bainite austénite résiduelle, le laminage à chaud assurant
d'une part,
io une bonne recristallisation des grains d'austénite en sortie des cages du
laminoir et
d'autre part, une texture equiaxe.
Dans un exemple d'application, l'acier dont la composition est présenté dans
le tableau 1, est soumis au traitement de température selon l'invention dans
lequel
- la température de laminage est de 850 C,
- le premier refroidissement à l'air est de 1,5 secondes, suivi d'un deuxième
refroidissement contrôlé à une vitesse de 80 C/seconde jusqu'à la température
de
720 C, température en dessous du point Ar3,
- la bande d'acier obtenu est ensuite maintenue en température, à l'air, sur
un palier
de température où elle est refroidie jusqu'à la température de 680 C,
- le troisième refroidissement également contrôlé, est effectué à une vitesse
de
80 C/seconde jusqu'à une température correspondant à la température de
bobinage,
- le bobinage est effectuée dans l'exemple, à différentes températures, qui
sont:
4000C,450 C,500 C,550 C,600 C.
Tableau 1: composition (x10-3%)
C AI Mn Si P Cr N
200 1330 1500 250 48 852 <2
Aux différentes températures de bobinage, il a été mesuré, comme présenté
sur les tableaux suivants, les différentes caractéristiques mécaniques
obtenues.
Tableau 2: Bobinage à 400 C.
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Rp02 Rm Ag* Re/Rm n
MPa MPa (%) (4-8%)
418 799 14,6 0,52 0,22
Remarque:
Ag* représente l'allongement réparti, correspondant à l'allongement de
l'éprouvette
de traction au moment où apparaît le début de la striction.
Rm : résistance à la rupture de l'acier de l'éprouvette.
1o Re : limite élastique de l'acier.
n : coefficient de consolidation.
Au niveau de la microstructure, la bainite est légèrement majoritaire par
rapport à la
ferrite qui se présente en grains fins. L'austénite résiduelle est présente
sous forme
de blocs entre les grains de ferrite, avec une moyenne de 12,8%.
Tableau 3: Bobinage à 450 C.
Rp02 Rm Ag Re/Rm n
MPa MPa (%) (4-8%)
519 728 11,9 0,71 0,20
Remarque: La microstructure est ferrito bainitique. On peut observer des
plages
d'austénite sous forme d'îlots entre les lattes de bénite. La moyenne
d'austénite
résiduelle est de 7%.
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Tableau 4: Bobinage à 500 C.
Rp02 Rm Ag Re/Rm n
MPa MPa (%) (4-8%)
458 779 14,4 0,59 0,21
Remarque: La microstructure est du type ferrite bainite où la bainite est
majoritaire
io sous la forme de grosses plages. L'austénite se présente essentiellement
sous la
forme de blocs entre les grains de ferrite. La moyenne d'austenite résiduelle
est de
9,4%.
Tableau 5: Bobinage à 550 C.
Rp02 Rm Ag Re/Rm n
MPa MPa (0/0) (4-8%)
569 758 9,5 0,75 0,15
Remarque: La microstructure présente très peu d'austénite résiduelle, la
moyenne
d'austenite résiduelle est de 0,2%.
Tableau 6: Bobinage à 600 C.
Rp02 Rm Ag Re/Rm n
MPa MPa (%) (4-8%)
487 655 12,8 0,74 0,22
Remarque: la microstructure est du type ferrite bainite et ne présente pas
d'austénite
résiduelle.
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De manière générale, on remarque que l'acier à microstructure ferrite-bainite-
austénite résiduelle présentant les caractéristiques mécaniques suivantes: Rm
> 700
MPa , rapport Re/Rm < 0,7, Ag > 10% et A%> 25% ne peut être réalisé que pour
les
températures de bobinage comprise entre 400 C et 500 C grâce à une quantité
5 d'austénite résiduelle supérieure à 5%.
Pour les deux températures de bobinage les plus élevées, la quantité
d'austénite résiduelle est nulle ou quasi nulle et les propriétés mécaniques
ne sont
pas conformes avec un allongement Ag% ou avec une limite à la rupture Rm
acceptable, le rapport Re/Rm étant de plus trop élevé.
10 La figure 2 présente le taux d'austenite résiduelle en fonction de la
température de bobinage pour différentes compositions d'aciers TRIP de
référence
et selon l'invention. Elle permet de montrer que le procédé selon l'invention
présente
par rapport, par exemple, à l'acier A pris en référence, TRIP C-Mn-Si une
quantité
d'austénite supérieure pour un domaine de température de bobinage plus large
et
1s plus élevé en température. La Figure 2 présente, pour comparaison avec
l'acier A
sur acier 1 de l'exemple, et deux aciers 2 et 3 selon l'invention et
comportant
respectivement 0% de Cr et 2 % Cr. On peut selon le procédé obtenir le taux
d'austénite souhaité dans un large domaine de température de bobinage, ce qui
permet d'assurer une régularité des caractéristiques mécaniques de la tôle
réalisée,
2o régularité sans laquelle l'utilisation de la tôle pour une pièce emboutie
serait
impossible. La possibilité selon le procédé de bobiner à plus haute
température
permet une réalisation industrielle de la tôle sans renforcement des capacités
de
l'outil industriel.
L'invention proposée permet la réalisation d'une bande d'acier laminée à
25 chaud d'épaisseur comprise entre 1,4 mm et 6 mm qui possède à la fois une
résistance mécanique élevée supérieure à 700 MPa et des propriétés de mise en
forme importantes grâce à un rapport Re/Rm inférieur à 0,7, à un allongement
répartie supérieur à 10% et un allongement à la rupture supérieur à 25%.
Lorsque la teneur en silicium est inférieure à 0,5%, on obtient un aspect de
30 surface de la bande de tôle, sans défaut, après décapage.
Selon l'invention, le procédé permet l'obtention d'une bande de tôle d'acier
laminée à chaud comportant une structure ferrite bainite austénite résiduelle
à plus
de 5% en réalisant dans le procédé un bobinage étendu dans un intervalle de
température compris entre 350 C et 525 C. Il est ainsi possible de sortir du
domaine
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d'instabilité de la température de bobinage inférieure à 400 C. Ceci est
possible
notamment par l'usage dans la composition de l'acier de base d'une teneur
déterminée en chrome et en phosphore.
La bande de tôle selon l'invention peut être introduite dans l'utilisation
pour
des pièces embouties, pliées ou profilées dans les secteurs de la construction
mécanique et automobile. Son usage donne la possibilité de réduire les
épaisseurs
des pièces assurant leur allégement et ou une amélioration de leurs
performances
en fatigue. Les pièces pouvant être réalisées sont notamment des absorbeurs,
des
pièces de renfort, de structure, des roues nécessitant une bonne tenue à la
fatigue
io et également une bonne emboutissabilité.
