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SOL 98/078
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Acier laminé à chaud à très haute limite d'élasticité et résistance
mécanique utilisable notamment pour la réalisation de piièce de véhicules
automobiles.
L'invention concerne un acier laminé à chaud à très haute limite d'élasticité
et
résistance mécanique utilisable notamment pour la réalisation de pièce de
véhicules
automobiles.
Dans le domaine de la réalisation de tôles d'acier laminées à chaud, acier
dont
les caractéristiques sont obtenues par un laminage contrôlé, il est connu des
produits à
limite d'élasticité élevée, c'est à dire comprise entre 315 MPa et 700 MPa.
Dans le domaine des tôles laminées à chaud issues d'un train à bande, la tenue
en service des pièces obtenues par mise en forme à partir de ces tôles est un
critère
io important puisqu'elle définit la durée de vie des pièces mises en forme,
comme par
exemple par emboutissage, profilage ou hydroformage.
La tenue en service liée à la tenue en fatigue définit la durée de vie pour
des
charges déterminées.
Afin d'améliorer la tenue en fatigue de pièces mises en forme, une solution
consiste en l'utilisation d'aciers à très haute résistance qui présentent des
propriétés en
fatigue importantes car il existe en première approximation, une relation
proportionnelle
entre la limite d'endurance et la résistance mécanique. 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 limitant ainsi les possibilités de
mise en
forme de pièces réalisables avec les aciers à haute résistance.
La tenue au choc est également une propriété importante pour des raisons de
sécurité notamment dans des applications concernant l'automobile, puisque la
tenue
au choc définit la résistance à la rupture brutale des pièces. Afin
d'améliorer cette
propriété des pièces mises en forme, une solution consiste en l'utilisation
d'aciers à très
haute limite d'élasticité car il existe en première approximation, une
relation linéaire
entre la résistance au choc et la limite d'élasticité. Cependant, en général,
les
propriétés de mise en forme diminuent avec l'augmentation de la limite
d'élasticité.
Dans la gamme des produits plats courants laminés à chaud, dont les
caractéristiques mécaniques sont obtenues par laminage contrôlé sur un train à
large
3o bande, il existe notamment quatre familles principales d'aciers à
caractéristiques
mécaniques élevées.
Les aciers HLE, aciers à haute limite d'élasticité, sont des aciers micro
alliés qui
présentent une limite d'élasticité comprise entre 315 MPa et 700 MPa, mais qui
possèdent une aptitude au formage limitée du fait, en particulier, d'un
rapport Re/Rm
élevé supérieur à 0,85. Ces aciers présentent une structure ferrite-phase
carburée du
type cémentite. Le niveau de limite d'élasticité est obtenu par un laminage
contrôlé et
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une précipitation des éléments de micro alliage tels que niobium, vanadium,
titane lors
de la transformation ferritique.
Les aciers Dual-Phase sont des aciers de structure ferrite-martensite ayant
une
propriété de mise en forme remarquable. Les niveaux de résistance mécanique
sont
généralement compris entre 550 MPa et 800 MPa. Le niveau le plus élevé est
obtenu
par précipitation d'éléments de micro alliage lors de la transformation
ferritique qui vient
compléter l'effet durcissant de la martensite.
Les aciers HR sont des aciers dits haute résistance, au carbone et au
manganèse, subissant après laminage, un refroidissement relativement rapide
associé
to à un bobinage à basse température pour leur conférer une structure ferrito-
bainitique.
Ils ont une caractéristique de formabilité intermédiaire entre les aciers HLE
et les aciers
Dual-Phase. Le niveau de résistance varie entre 450 MPa et 800 MPa.
Les aciers martensitiques dont les niveaux de résistance sont les plus élevés.
Ces aciers ont une structure martensitique obtenue par traitement thermique
après
laminage. La réalisation de ce type de structure sur un train à large bande
est difficile
de par la fragilité de la martensite qui conduit à des ruptures de la bande
après
laminage. Les aciers martensitiques permettent d'atteindre des niveaux de
résistance
supérieurs à 1000 MPa mais avec un niveau de ductilité très faible et des
allongements
inférieurs à 8%. II est de plus nécessaire de réaliser un traitement thermique
après
laminage.
L'augmentation du niveau de résistance de l'ensemble des aciers ci-dessus
cités
s'accompagne d'une augmentation des efforts de laminage qui limite la
réduction
d'épaisseur ne permettant pas de bénéficier complètement des possibilités
d'allègement.
Le but de l'invention est de présenter un acier laminé à chaud à très haute
limite
d'élasticité et résistance mécanique présentant de bonnes propriétés de mise
en forme
pour la réalisation de pièces par emboutissage, profilage, hydroformage
notamment
pour l'industrie automobile.
L'objet de l'invention est un acier laminé à chaud à très haute limite
d'élasticité et
3o résistance mécanique utilisable notamment pour la réalisation de pièce de
véhicules
automobiles caractérisée en la composition pondérale suivante :
0,08% < carbone < 0,2%
1 % < manganèse < 2%
0,02% < aluminium < 0,1 %
silicium < 0,5%
phosphore < 0,03%
soufre < 0,01 %
vanadium < 0,3%
chrome < 1%
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azote < 0,015%
Molybdène < 0,6%
le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration.
De préférence, l'acier est caractérisé en la composition pondérale suivante :
0,1% < carbone < 0,14%
1,4% < manganèse < 1,8%
0,02% < aluminium < 0,08%
0,15% < silicium < 0,3%
phosphore < 0,03%
soufre < 0,008%
0,1% < vanadium < 0,3%
0,3% < chrome < 0,6%
azote < 0,012%
0,15 < molybdène < 0,4
le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration. L'invention
concerne également un procédé de réalisation d'une bande de tôle d'acier
laminée à
chaud à très haute résistance utilisable notamment pour la réalisation de
pièce de
véhicules automobiles caractérisée en ce que l'acier de composition pondérale
suivante
0,08% < carbone < 0,2%
1 % < manganèse < 2%
0,02% < aluminium < 0,1 %
silicium < 0,5%
phosphore < 0,03%
soufre < 0,01 %
vanadium < 0,3%
chrome < 1%
azote < 0,015%
molybdène < 0,6%
le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration est soumis à
- un laminage à une température inférieure à 950 C et de préférence inférieure
à
880 C,
- un refroidissement effectué à une vitesse supérieure à 20 C par seconde, et
de
préférence à une vitesse comprise entre 100 C et 200 C par seconde jusqu'à une
température comprise entre 400 C et 600 C, et de préférence jusqu'à une
température
comprise entre 450 C et 500 C.
La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre
d'exemple
non limitatif, fera bien comprendre l'invention.
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3a
Un aspect de l'invention concernant un acier laminé à chaud à très haute
limite d'élasticité et résistance mécanique, présentant une structure
entièrement
bainitique, utilisable pour la réalisation de pièce de véhicules automobiles
caractérisé en la composition pondérale suivante:
0,08% < carbone < 0,2%
1 % < manganèse < 2%
0,02% < aluminium < 0,1
silicium < 0,5%
phosphore < 0,03%
soufre < 0,01 %
0,1 % < vanadium < 0,3%
chrome < 1%
azote < 0,015%
molybdène < 0,6%
le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration.
Un autre aspect de l'invention concernant un procédé de réalisation d'une
bande de tôle d'acier laminée à chaud à très haute résistance présentant une
structure entièrement bainitique, utilisable notamment pour la réalisation de
pièce de
véhicules automobiles caractérisé en ce que l'acier de composition pondérale
suivante:
0,08% < carbone < 0,20%
1 % < manganèse < 2%
0,02% < aluminium < 0,1%
silicium< 0,5%
phosphore < 0,03%
soufre < 0,01%
0,1 % < vanadium < 0,3%
chrome < 1 %
azote < 0,015%.
molybdène < 0,6%
le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration, est soumis
à:
- un laminage à une température inférieure à 950 C,
- un refroidissement effectué à une vitesse supérieure à 20 C par seconde,
jusqu'à
une température comprise entre 400 C et 600 C.
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La figure 1 est un schéma présentant la variation de température en fonction
de temps
lors du refroidissement de la bande d'acier laminé à chaud.
La figure 2 présente une courbe d'allongement en fonction de la contrainte
pour un
acier selon l'invention.
L'acier selon l'invention, dont la composition pondérale est la suivante :
0,08% < carbone < 0,2%
1 % < manganèse < 2%
0,02% < aluminium < 0,1%
silicium < 0,5%
phosphore < 0,03%
soufre < 0,01 %
vanadium < 0,3%
chrome < 1 %
azote < 0,015%
molybdène < 0,6%
le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration, possède une
structure entièrement bainitique. Sous cette forme, il est possible
d'atteindre un niveau
de résistance supérieur à 1000 MPa avec un allongement supérieur à 10%.
L'itcier mis sous forme d'une bande laminée à chaud selon l'invention est
soumis à:
- un laminage à une température inférieure à 950 C et de préférence inférieure
à
880 C,
- un refroidissement effectué à une vitesse supérieure à 20 C par seconde, et
de
préférence à une vitesse comprise entre 100 C et 200 C par seconde jusqu'à une
température comprise entre 400 C et 600 C, et de préférence jusqu'à une
température
comprise entre 450 C et 500 C.
Comme représenté sur le schéma de la figure 1, le cycle de refroidissement à
partir d'une température comprise entre 400 C et 600 C, et de préférence
jusqu'à une
température comprise entre 450 C et 500 C est effectué en bobine.
Du point de vue de la composition de l'acier selon l'invention
- le carbone limité à 0,2% permet d'assurer une bonne soudabilité tout en
permettant
un durcissement par précipitation avec le vanadium.
- le manganèse permet d'abaisser les points de transformation AR3, Bs et Ms
qui
correspondent respectivement, à la température de début de la transformation
ferritique, à la température de début de la transformation bainitique et à la
température
de début de la transformation martensitique. Il permet de par cet effet
d'augmenter la
trempabilité en évitant de former de la ferrite du fait des vitesses de
refroidissement
élevées et d'obtenir une structure entièrement bainitique. Le début de
transformation
bainitique (Bs) abaissé permet d'augmenter les propriétés mécaniques.
- l'aluminium est utilisé pour calmer l'acier.
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- le silicium est conservé à des teneurs relativement faibles pour bénéficier
du pouvoir
durcissant en solution solide qu'il apporte sans dégrader l'état de surface
après
décapage, ni la revêtabilité du produit sur ligne de galvanisation ou
d'électrozingage en
continue. Le silicium est connu pour dégrader d'une part, l'aspect de surface
des
5 produits décapés par la formation de Fe2O3SiO4 et d'autre part, la
mouillabilité et donc,
l'adhérence des revêtements.
- le molybdène, par son effet de trempabilité notamment une diminution de Bs,
permet
d'augmenter les propriétés mécaniques et cela par la formation d'une structure
entièrement bainitique.
to - le vanadium est l'élément nécessaire à la formation de précipité de type
nitrures et
carbures qui se forment à différentes températures au cours du traitement
thermomécanique. Ces précipités très durcissants permettent d'atteindre le
niveau de
propriétés mécaniques très élevé. Cet élément permet ce durcissement par
précipitation sans augmentation de la dureté à chaud. Cet effet est
contradictoire avec
les effets connus des éléments de micro alliage qui, par précipitation induite
au cours
du laminage, conduisent à une augmentation de ladite dureté à chaud. Cette
constatation a permis aux inventeurs d'obtenir, avec l'élément vanadium
contenu dans
l'acier selon l'invention, de laminer de fines épaisseurs de tôle jusqu'à 1,4
mm
d'épaisseur sans augmentation des efforts de laminage.
Les exemples ci-dessous présentent les résultats obtenus pour un exemple B
d'application selon l'invention encadrée par deux exemples de comparaison A et
C, les
analyses des deux exemples de comparaison comportant, l'une, une teneur en
vanadium faible, l'autre une teneur en vanadium élevée.
Les compositions des exemples sont présentées sur le tableau 1 suivant :
Tableau 1.
Acier C Mn Cr Mo Si N V P
A 0,11 1,58 0,51 0,33 0,2 0,0035 0 0,02
B 0,11 1,58 0,51 0,32 0,2 01,0040 0,2 0,02
C 0,11 1,58 0,51 0,34 0,2 0,0050 0,45 0,02
1 1 1 1 1 T
Le tableau 2 suivant donne les conditions du traitement thermique après le
laminage à
chaud.
Tableau 2.
Acier Tem de Vitesse de Temps de
laminage C refroidissement. C/s bobinage. C
A 900 65 450
B 885 40 450
C 890 50 450
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Le tableau 3 suivant présente les caractéristiques mécaniques en résistance
mécanique Rm, limite d'élasticité Re, et allongement A, des trois exemples de
réalisation.
s Tableau 3.
Acier Rm Re A
(MPa) (MPa) (%)
A 790 670 14
B 1090 990 10,4
r C 1125 1015 8,9
On peut remarquer que le vanadium augmente la résistance mécanique et réduit
l'allongement. Le vanadium est l'élément nécessaire, dans l'acier à structure
bainitique,
pour la réalisation d'un effet durcissant, ce qui est inattendu car les
éléments de micro
io alliage ont un effet durcissant par précipitation mais cette précipitation
est
complètement terminée à plus haute température et doit se faire dans le
domaine
ferritique pour pouvoir être durcissante. Cet effet ne peut être obtenu par
d'autres
éléments de micro alliage comme le titane ou le niobium car ces éléments
conduisent à
une augmentation de la dureté à chaud qui limite les taux de réduction en
laminage à
15 chaud et donc l'épaisseur minimale réalisable pour ce type de tôle. Il
s'avère que le
vanadium n'a pas d'effet sur la dureté à chaud.
D'autres éléments résiduels peuvent être présents et utilisés en fonction de
leurs
propriétés connues comme le Cu, Ni. L'ajout d'éléments d'alliage comme le
titane ou le
bore peuvent être utilisés pour favoriser la précipitation des carbures de
vanadium au
2o dépend des nitrures de vanadium. Le titane et le bore forment des nitrures
à haute
température qui restent stables au cours du traitement thermomécanique
ultérieur.
Des essais industriels ont été réalisés sur la base de l'analyse B présentée
dans
le tableau n 4.
Tableau n 4
C% Mn% Cr% N% V% Mo% AI% SI%
0,124 1,560 0,389 0,0051 0,189 0,280 0,031 0,185
Un exemple de propriété mécanique obtenue pour une épaisseur de 1,7 mm est
présenté sur la figure 2 à travers une courbe de traction.
Les caractéristiques de l'acier sont une résistance mécanique de 1015 MPa, une
limite
d'élasticité de 880 MPa, un allongement de 12%.
La structure finale de l'acier selon l'invention est une structure bainitique.
Cette
structure permet d'obtenir une limite d'élasticité supérieure à 700 MPa, une
résistance
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mécanique supérieure à 1000 MPa et un allongement supérieur à 10%. Ces valeurs
montrent les bonnes propriétés de mise en forme de l'acier selon l'invention.
L'invention permet le laminage d'un acier ayant une épaisseur comprise entre
1,4 et 5 mm qui possède à la fois, une résistance mécanique élevée, c'est-à-
dire
supérieure à 1000 MPa et des propriétés de mise en forme remarquables, grâce à
un
allongement supérieur à 10%.
L'état de surface, sans défaut, après le décapage de la tôle laminée à chaud
est
assuré, dans la composition de l'acier, par une teneur en silicium inférieure
à 0,5%.
La bande de tôle d'acier laminée à chaud de l'invention présente un avantage
1o dans son utilisation dans des secteurs d'activité comme par exemple
l'automobile et la
construction mécanique en général, pour des pièces embouties, pliées,
profilées ou
hydroformées, pièces pouvant être allégées tout en assurant des performances
en
fatigue, une amélioration des performances au choc et une combinaison de ces
avantages.
