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CA 02478123 2004-09-03
WO 03/076673 PCT/FR03/00765
Tôle d'acier laminé à chaud à très haute résistance et de faible densité, et
procédé de fabrication
L'invention concerne une tôle d'acier laminé à chaud, à très haute résistance
et
de faible densité, issu d'un train de laminage à bande, ainsi que son procédé
de
fabrication.
L'allègement des véhicules automobiles devient une nécessité de par
l'imposition
io de diminuer les émissions de C02 à 140g /Km en 2008. Cet allègement ne peut
être
réalisé qu'en augmentant le niveau de résistance mécanique des aciers pour
compenser la diminution d'épaisseur des tôles. Il est donc nécessaire
d'augmenter les
caractéristiques mécaniques tout en réduisant les épaisseurs des tôles avec
lesquelles
sont réalisées les pièces utilisées. Cette démarche trouve ses limites avec la
diminution
de la rigidité des pièces et l'apparition de vibrations et de bruits
rédhibitoires dans les
applications visées du domaine de l'automobile où le bruit est un élément
d'inconfort.
Dans le domaine des aciers plats laminés à chaud, dont les caractéristiques
mécaniques sont obtenues par laminage contrôlé sur train à large bande, le
niveau de
résistance le plus élevé est obtenu avec les aciers THR de structure
bainitique, qui
permettent d'atteindre un niveau de résistance mécanique compris entre 800 MPa
et
1000 MPa, mais leur densité est celle d'un acier courant, c'est-à-dire une
densité de 7,8
g/cm3.
Il est par ailleurs possible d'obtenir un acier de plus faible densité en
utilisant un
élément d'addition tel que l'aluminium, acier dans lequel un ajout de- 8,5%
d'aluminium
permet d'abaisser la densité jusqu'à 7g/cm3. Cette solution ne permet pas
d'atteindre
des niveaux de résistance mécanique supérieure à 480 MPa. L'ajout d'autres
éléments
d'addition comme le chrome, le vanadium et le niobium, à des, teneurs allant
respectivement jusqu'à 1%, 0,1%, 0,4%, ne permet pas de dépasser en résistance
mécanique un niveau de 580 MPa. Dans cette démarche, le gain en densité est
annihilé
par la faiblesse des caractéristiques en résistance mécanique obtenues.
Le but de l'invention est de proposer aux utilisateurs de tôles d'acier
laminées à
chaud une tôle de faible densité et comportant des niveaux de résistance
comparables
aux tôles d'acier à haute résistance mécanique actuellement utilisé voire d'un
niveau
supérieur, et cela, afin de cumuler les deux avantages de faible densité et de
résistance
mécanique élevée.
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WO 03/076673 PCT/FR03/00765
L'invention a pour premier objet une tôle d'acier laminé à chaud à très haute
résistance et de faible densité, caractérisé en ce que sa composition en % en
poids
comprend :
0,04%:9 carbone _< 0,5%
0,05%<_ manganèse <_ 3%
pouvant contenir les éléments de durcissement :
0,01 %<_ niobium <_ 0,1%
0,01 % <_ titane <_ 0,2%
0,01 <_ vanadium _< 0,2%, pris seul ou en combinaison,
et/ou les éléments agissant sur les températures de transformation,
0,0005% <_ bore<_ 0,005%
0,05%< _ nickel <_ 2%
0,05% _< chrome<_ 2%
0,05%<_ molybdène <_ 2% , pris seul ou en combinaison,
le reste étant du fer et des éléments inhérents à l'élaboration, caractérisé
en ce qu'il
comporte :
2% _< silicium <_ 10%,
1 % <_ aluminium <_ 10%.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'acier comporte dans sa
composition, en % en poids :
0,04% carbone <_ 0,3%
I
0,08%<_ manganèse<_ 3%
2% <_ silicium<_ 6%,
1 % 5 aluminium <_ 10%.
Dans un autre mode de réalisation préféré, la tôle selon l'invention est telle
que
la teneur en silicium est comprise entre 3 et 6%, et que la teneur en
aluminium est
comprise entre 1 et 2 %.
Dans un autre mode de réalisation préféré, la tôle selon l'invention est telle
que
la teneur en silicium est comprise entre 2 et 3 %, et que la teneur en
aluminium est
comprise entre 7 et 10 %.
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CA 02478123 2010-05-27
Dans un autre mode de réalisation préféré, les teneurs en silicium et en
aluminium de la tôle selon l'invention sont telles que :
%Si+%Al >- 9
La tôle selon l'invention peut également présenter les caractéristiques
suivantes,
seules ou en combinaison :
- la tôle présente une microstructure constituée d'une phase de ferrite
primaire,
et d'une phase de ferrite secondaire, la taille moyenne de grains de ladite
ferrite primaire étant supérieure à la taille moyenne de grains de ladite
ferrite
secondaire, ladite microstructure contenant également des phases carburées,
- la tôle présente une phase de ferrite primaire obtenue lors du réchauffage
de
l'acier effectué préalablement au laminage à chaud, et une phase de ferrite
secondaire obtenue à l'issue du laminage à chaud, ainsi que des phases
carburées,
- la tôle comprend une phase de ferrite primaire dont la taille moyenne de
grains supérieure à 5 pm, et une phase de ferrite secondaire dont la taille
moyenne de grains inférieure à 2 pm.
L'invention a pour second objet un procédé de fabrication d'une tôle laminée à
chaud qui comprend les étapes consistant à :
- réchauffer une brame dont la composition est conforme à l'invention, formant
ainsi une brame dont la microstructure comprend une phase de ferrite primaire
et
une phase d'austénite,
- puis à laminer à chaud ladite brame, la température de fin de laminage à
chaud
étant supérieure à la température AR3 de la phase austénitique formée lors du
réchauffage, afin de réaliser un laminage dans des conditions austénitiques,
transformant ainsi la phase austénitique en une phase de ferrite secondaire et
des phases carburées.
La description qui suit fera bien comprendre l'invention en référence aux
figures
annexées, qui représentent :
- en figure 1 : une courbe présentant l'évolution de la densité d'un acier en
fonction de la teneur en silicium, en aluminium ettou silicium plus aluminium,
- en figure 2 : la microstructure d'un acier selon l'invention comprenant
0,04% de
carbone (coulée I),
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CA 02478123 2004-09-03
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- en figure 3 : la microstructure d'un acier selon l'invention comprenant
0,160%
de carbone (coulée J),
- en figure 4 : la microstructure d'un acier selon l'invention comprenant
0,268%
de carbone (coulée K),
- en figure 5 : la microstructure d'un acier comprenant 0,505% de carbone,
montré à titre de comparaison (coulée Q.
L'acier laminé à chaud sur train à bande selon l'invention présente une
résistance mécanique élevée et une faible densité.
L'acier à la composition générale pondérale suivante :
0,04% <_ carbone <_ 0,5%
0,05%<_ manganèse <_ 3%
pouvant contenir les éléments de durcissement :
0,01 %s niobium<_ 0,1 %
0,01 % s titane <_ 0,2%
0,01 _< vanadium<_ 0,2%, pris seul ou en combinaison,
et/ou les éléments agissant sur les températures de transformation,
0,0005% _< bore<_ 0,005%
0,05% _< nickel<_ 2%
0,05%<_ chrome<_ 2%
0,05%<_ molybdène <_ 2% ,
pris seul ou en combinaison, le reste étant du fer et des éléments inhérents à
l'élaboration, comporte :
2% <_ silicium<_ 10%,
1 % _< aluminiums 10%.
La teneur en carbone de la tôle selon l'invention est comprise entre 0,04 et
0,5%
en poids, de préférence entre 0,04 et 0,3% en poids. L'évolution de la
structure de
l'acier en fonction de la teneur en carbone est présentée dans les figures 2 à
5 et
montre que la structure de l'acier selon l'invention (figures 2 à 4) est
constituée de
ferrite primaire à gros grains, et d'un mélange de phase carburées et de
ferrite
secondaire fine à plus petits grains. Si la teneur en carbone tombe en dessous
de
0,04%, la microstructure ne comprend pas de phases carburées et perd en
caractéristiques mécaniques. Par contre, si la teneur en carbone dépasse 0,5%
en
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poids, la structure devient très fragile, et on observe que la microstructure
ne comprend
plus de ferrite primaire (cf. Figure 5).
Sans vouloir être lié par une théorie, on pense que l'obtention de cette
microstructure originale est due à la combinaison des teneurs en carbone,
silicium et
aluminium. Elle permet d'atteindre d'excellentes caractéristiques mécaniques.
En effet,
l'acier selon l'invention peut atteindre des niveaux de résistance mécanique
allant de
620 MPa à plus de 1000 MPa et des densités de l'ordre de 7,55 et descendant
jusqu'à
7 g/cm3 suivant les teneurs en silicium et en aluminium et en éléments
d'addition,
comme le montre la figure 1.
Les caractéristiques mécaniques peuvent être renforcées par addition d'élément
'de micro alliage comme le niobium, le titane, le vanadium, les deux derniers,
moins
denses que le fer.
La tôle selon l'invention pourra être fabriquée par tout procédé adapté.
Néanmoins, on préfère employer le procédé selon l'invention. Ce procédé
comprend tout d'abord un réchauffage de la brame à haute température (de
préférence
supérieure à 900 C), préalablement au laminage à chaud. Les présents
inventeurs ont
découvert que lors de cette étape de réchauffage, la brame présente une
microstructure
composée d'une phase ferritique dite primaire qui se forme à haute
température, et qui
co-existe avec une phase austénitique.
En laminant à chaud de telle sorte que la température de fin de laminage reste
supérieure à la valeur-de AR3 calculée pour la phase austénitique seule, on
réalise un
laminage dans des conditions austénitiques.
On observe que la phase austénitique se transforme alors complètement en un
mélange de phase carburées et de ferrite secondaire, dont la taille de grains
moyenne
est inférieure à celle de la phase ferritique primaire qui subsiste.
On choisira avantageusement un couple carbone-manganèse afin d'avoir une
température de transformation AR3 telle qu'on puisse garantir un laminage dans
des
conditions austénitiques.
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CA 02478123 2004-09-03
WO 03/076673 PCT/FR03/00765
Le tableau 1 suivant, présentant différentes analyses selon l'invention,
montre
l'influence des différents éléments sur les caractéristiques des aciers.
TABLEAUI
Les coulées A, C, F, H et L sont données à titre de comparaison, tandis que
les
coulées B, D, E, G, I, J et K sont selon l'invention.
C% Mn% Si% AI% Rm (MPa) Densité
A 0,24 2,46 1,83 < 0,1 1423 7,74
B 0,23 2,53 3,06 1,28 902 7,54
C 0,12 2,55 4,09 < 0,1 1296 7,55
D 0,07 2,67 5,28 5 1400 7,14
E 0,068 1,29 3,23 1,423 750 7,52
F 0,079 1,21 1,44 3,25 587 7,44
G 0,042 1,37 3,27 1,43 760 7,51
H 0,204 2,62 < 0,1 8,05 673 7,02
0,040 1,688 3,66 1,075 621 7,55
J 0,160 1,270 3,69 1,153 835 7,52
K 0,268 1,155 3,59 1,435 949 7,51
L 0,505 0,167 3,48 1,0411 1134 7,54
io Les données, présentées que le tableau 1, montrent que l'aluminium seul ne
permet pas d'obtenir à la fois une faible densité de l'acier et un haut niveau
de
résistance dudit acier.
Dans l'exemple de l'acier référencé E, la température de laminage est de 895
C,
et la température de bobinage de 600 C, avec une vitesse de refroidissement de
49 C/s, ce qui donne à l'acier une résistance mécanique de 750 MPa.
L'abaissement
de la température de bobinage permet d'augmenter le niveau de résistance
mécanique.
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CA 02478123 2004-09-03
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C'est le cas de l'exemple de l'acier référencé B, dont la température de
bobinage
est de 20 C avec une vitesse de refroidissement de 5 C/s, ce qui permet
d'atteindre un
niveau de résistance mécanique de 902 MPa.
Si on augmente la vitesse de refroidissement pour un acier référencé C réalisé
avec un laminage à une température de 870 C, un bobinage à une température de
120 C et une vitesse de refroidissement de 130 C/s, on obtient un acier avec
une
résistance mécanique de 1296 MPa.
Le niveau de résistance mécanique peut aussi être ajusté par des teneurs en
carbone et manganèse et/ou d'autres éléments d'addition comme présentés ci-
dessus.
io Certaines opérations, comme par exemple un re-laminage ou un traitement
thermique
tel q'un recuit, peuvent être utilisées pour modifier ou ajuster le niveau des
propriétés
mécaniques.
Selon l'invention, l'acier proposé répond à deux besoins contradictoires du
domaine des aciers laminés à chaud d'une part, des propriétés mécaniques
élevées et
d'autre part, une faible densité. Les solutions existantes pour réaliser des
aciers de très
hauts niveaux de résistance mécanique sont basées sur l'utilisation d'éléments
d'addition ne permettant pas une forte variation de la densité, et les
solutions existantes
pour réaliser des aciers de faible densité sont basées sur l'utilisation
d'éléments
d'addition ne permettant pas d'atteindre de haut niveau de résistance
mécanique.
L'acier de l'invention combine ces deux propriétés, à savoir, un haut niveau
de
résistance mécanique et une très faible densité pour un allègement de pièce
utilisable
dans l'automobile.
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