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WO 2004/022793 PCT/FR2003/002641
ACIER A TRES HAUTE RESISTANCE MECANIQUE ET PROCEDE
DE FABRICATION D'UNE FEUILLE DE CET ACIER REVETUE DE ZINC
OU D'ALLIAGE DE ZINC
La présente invention concerne un acier à très haute résistance
mécanique, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une feuille de cet acier
revêtue de zinc ou d'alliage de zinc.
Il existe plusieurs familles d'aciers à très haute résistance mécanique
io qui diffèrent par leurs compositions et par leurs microstructures. Ainsi,
les
aciers dits dual phase ont une microstructure composée de ferrite et de
martensite, qui leur permet d'atteindre des résistances à la traction allant
de
400 MPa à plus de 1200MPa.
Afin d'obtenir les microstructures qui permettront d'atteindre des
caractéristiques mécaniques élevées, ces nuances sont assez fortement
chargées en des éléments tels que le chrome, le silicium, le manganèse,
l'aluminium ou le phosphore. Ces nuances posent cependant problème
lorsque l'on souhaite les revêtir d'un revêtement protecteur contre la
corrosion, par galvanisation au trempé à chaud, par exemple.
En effet, on observe que la surface des tôles présente une très
mauvaise mouillabilité vis-à-vis du zinc ou des alliages de zinc. Les tôles
comportent alors des parties non revêtues, qui constituent des zones
privilégiées pour l'amorce d'une corrosion.
Pour pallier ce problème, différentes approches ont été proposées.
Ainsi, on connaît des procédés consistant à effectuer un pré-revêtement d'un
métal permettant de fournir une meilleure base d'accrochage pour le zinc. On
a proposé à cet effet de déposer du fer, de l'aluminium, du cuivre et d'autres
éléments, en général par électrodéposition. Ces procédés présentent
l'inconvénient d'ajouter une étape supplémentaire avant la galvanisation
proprement dite.
Il a également été proposé de faire passer les tôles dans des fours de
recuit présentant, notamment, des atmosphères particulières, permettant
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d'oxyder sélectivement le fer, afin de former une couche d'oxyde de fer sur
laquelle le zinc se dépose bien. Un tel procédé est cependant d'un réglage
très délicat et nécessite un contrôle très strict des conditions d'oxydation.
La présente invention a donc pour but de mettre à disposition une
composition d'acier ne présentant pas les inconvénients des compositions de
l'art antérieur, et présentant en particulier une bonne aptitude au revêtement
par du zinc ou des alliages de zinc, tout en conservant des caractéristiques
mécaniques élevées.
A cet effet, un premier objet de l'invention telle que décrite de façon large
ci-
après est constitué par un acier à très haute résistance mécanique, dont la
composition chimique comprend, en % en poids:
0,060% < C < 0,250%
0,400% < Mn < 0,950%
Si < 0,300%
Cr < 0,300%
0,100% < Mo < 0,500%
0,020% < AI < 0,100%
P < 0,100%
B < 0,010%
Ti < 0,050%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
Dans l'acier selon l'invention telle que revendiquée, la composition chimique
comprend toutefois plus précisément:
0,080% C 5 0,120%
0,800% S Mn _< 0,950%
Si < 0,300%
Cr _< 0,300%
0,150% _< Mo 5 0,350%
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0,020%:5 AI <_ 0,100%
P < 0.100%
B<_ 0,010% et
Ti < 0.050%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, et
l'acier présente une microstructure constituée de ferrite et de martensite.
Ce mode de réalisation permet d'obtenir une feuille d'acier ayant une
résistance à la traction de l'ordre de 500 MPa.
Dans un autre mode de réalisation décrit ci-après mais non revendiqué, l'acier
comprend:
0,100% < C < 0,140%
0,800% < Mn < 0,950%
Si < 0,300%
Cr < 0,300%
0,200% < Mo < 0,400%
0,020% < AI < 0,100%
P < 0,100%
B < 0,010%
Ti < 0,050%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
Ce mode de réalisation permet d'obtenir une feuille d'acier ayant une
résistance à la traction de l'ordre de 600MPa.
Tel que précédemment indiqué dans l'invention revendiqué, l'acier
présente une microstructure constituée de ferrite et de martensite.
Un deuxième objet de l'invention est constitué par une feuille d'acier à
très haute résistance mécanique conforme à l'invention, et revêtue de zinc ou
d'alliage de zinc.
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Un troisième objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication
d'une feuille d'acier selon l'invention revêtue de zinc ou d'alliage de zinc,
et
qui comprend les étapes consistant à :
- élaborer une brame dont la composition est conforme à l'invention,
laminer à chaud, puis à froid ladite brame pour obtenir une feuille,
- chauffer ladite feuille à une vitesse comprise entre 2 et 100 C/s jusqu'à
atteindre une température de maintien comprise entre 700 et 900 C,
- refroidir ladite feuille à une vitesse comprise entre 2 et 100 C/s jusqu'à
atteindre une température proche de celle d'un bain contenant du zinc ou
un alliage de zinc fondu, puis
- revêtir ladite feuille de zinc ou d'un alliage de zinc par immersion dans
ledit bain et la refroidir jusqu'à température ambiante à une vitesse de
refroidissement comprise entre 2 et 100 C/s.
Dans un autre mode de réalisation préféré, la feuille est maintenue à la
température de maintien pendant 10 à 1000 secondes.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le bain contenant du zinc
ou un alliage de zinc fondu est maintenu à une température comprise entre
450 et 480 C, et le temps d'immersion de la feuille est compris entre 2 et 400
secondes.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le bain contient
principalement du zinc.
Un quatrième objet de l'invention est constitué par l'utilisation d'une
feuille à très haute résistance mécanique d'acier revêtue de zinc ou d'alliage
de zinc, pour la fabrication de pièces d'automobiles.
La présente invention est basée sur le constat nouveau qu'en limitant
les teneurs en manganèse, silicium et chrome aux valeurs maximum
revendiquées, on peut obtenir une excellente revêtabilité des nuances ainsi
produites. En fonction du niveau de caractéristiques mécaniques recherché,
on ajustera les teneurs en éléments trempants tels que le carbone et le
molybdène, dont on a pu constater qu'ils ne nuisent pas à cette revêtabilité.
A cet effet, on pourra par exemple utiliser la formule classique donnant
le logarithme décimal de la vitesse critique de trempe V (en C/s):
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Log(V) = 4,5 - 2,7%Cy - 0,95%Mn - 0,18%Si - 0,38%Cr -
1,17%Mo - 1,29(%C x %Cr) - 0,33(%Cr x %Mo)
5 où Cy représente la teneur en carbone de l'austénite avant le
refroidissement.
La composition d'acier selon l'invention contient entre 0,060 et 0,250%
en poids de carbone, car on a observé que pour une teneur en carbone
inférieure à 0,060 %, la nuance n'était plus trempable, et ne permettait plus
io d'obtenir les caractéristiques mécaniques élevées recherchées. Au-delà de
0,250% en poids, le carbone détériore fortement la soudabilité de la nuance.
La composition contient également entre 0,400 et 0,950% en poids de
manganèse. De même que pour le carbone, la limite inférieure est requise
pour obtenir une nuance d'acier trempable, tandis que la limite supérieure
doit être respectée afin d'assurer une bonne revêtabilité de la nuance.
La composition contient aussi jusqu'à 0,300% en poids de silicium. La
limite supérieure doit être respectée afin d'assurer une bonne revêtabilité de
la nuance.
La composition contient en outre jusqu'à 0,300% en poids de chrome.
La limite supérieure doit être respectée afin d'assurer une bonne revêtabilité
de la nuance.
Enfin, la composition selon l'invention doit contenir entre 0,100 et
0,500% en poids de molybdène car on a observé que pour une teneur
inférieure à 0,100%, la nuance ne permettait plus d'obtenir les
caractéristiques mécaniques élevées recherchées. Au-delà de 0,500% en
poids, le molybdène détériore fortement la soudabilité de la nuance.
La composition peut également contenir, à titre optionnel, jusqu'à
0,010% en poids de bore que l'on protègera alors si nécessaire par une
teneur de 0,050% en poids au maximum de titane. Ce dernier élément
présentant une affinité pour l'azote plus importante que le bore, le piège par
formation de nitrures de titane.
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La composition d'acier peut également contenir différents éléments
résiduels inévitables, parmi lesquels on peut citer N, Nb, Cu, Ni, W, V.
On préfère en particulier limiter la teneur en azote qui peut rendre
l'acier sensible au vieillissement.
Grâce à sa galvanisabilité améliorée, l'acier selon l'invention trouve
notamment des applications dans le domaine de la fabrication de pièces pour
l'automobile, et plus particulièrement pour la fabrication de pièces visibles
telles que des éléments de carrosserie, qui présenteront un bon aspect après
peinture, contrairement à ceux fabriqués jusqu'à présent avec les aciers de
l'art antérieur.
La présente invention va à présent être illustrée à partir des
observations et des exemples suivants, donnés à titre d'exemples non
limitatifs, le tableau 1 donnant la composition chimique des aciers testés, en
10-3% en poids.
Tableau 1
C Mn Si Cr Mo AI B Ti N P S Cu Ni V
A 59 1195 121 491 - 38 - - 5,4 11 2 6 23 -
B 83 1546 361 204 - 24 - - 5,1 15 2 8 22 -
C* 95 906 12 15 102 33 - - 2,3 25 4 9 20 -
D* 93 909 10 15 205 33 - - 2,3 25 4 9 23 3
E* 85 900 11 14 305 35 - - 2,6 25 4 9 25 3
F* 90 900 11 15 306 33 1 27 2,5 25 4 9 25 4
* selon l'invention
Ces différentes compositions ont été élaborées sous forme de lingots
de 15 kg. Les lingots ont été ensuite réchauffés à 1250 C pendant 45
minutes, puis laminés à chaud en 7 passes, la température de fin de
laminage étant de 900 C.
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Les tôles ainsi obtenues ont été refroidies par trempe à l'eau avec
ralentisseur à une vitesse de refroidissement de l'ordre de 25 C/s, puis
bobinées à 550 C avant d'être refroidies.
Elles ont ensuite été laminées à froid avec un taux de réduction de
70% avant de subir le cycle thermique suivant :
- chauffage à une vitesse de l'ordre de 30 C/s jusqu'à atteindre une
température de maintien variant entre 770 et 810 C pendant un temps
variant entre 50 et 80 secondes, pour simuler des vitesses de ligne allant
de 80 à 150 m/min,
- refroidissement de la feuille à une vitesse de l'ordre de 10 C/s jusqu'à
atteindre 470 C.
Les feuilles sont ensuite soumises à une galvanisation au trempé dans
un bain de zinc, avec un temps de séjour dans le bain dépendant de la
vitesse de ligne choisie (entre 80 et 150 m/min), puis refroidies à une
vitesse
de 5 C/s jusqu'à température ambiante.
Pour chaque feuille, on mesure ensuite les caractéristiques
mécaniques suivantes :
- Rm : résistance à la traction en MPa
- Rel : limite d'élasticité en MPa,
- A : allongement à la rupture en %
- Ag : allongement réparti en %.
- P : palier en %,
ainsi que la proportion de martensite des feuilles (%M).
Essai 1 : Influence de la teneur en molybdène et de la présence de bore
Cette influence a été étudiée pour les nuances A à F, pour une
température de maintien de 790 C et une vitesse de ligne de 120 m/min.
Rm Rel A Ag p %M
A 480 375 28,2 18,8 2,3 1
B 540 360 28,3 17,6 - 3
C* 466 380 28,8 19,9 4,6 1
D* 526 324 29,0 18,8 0,6 4
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E* 563 282 26,6 17,9 0 7
F* 673 393 15,2 11,8 0 6
*selon l'invention
Pour les nuances selon l'invention, on constate qu'en augmentant la
teneur en molybdène, on augmente la teneur en martensite, ce qui permet
d'augmenter la résistance à la traction et d'abaisser la limite d'élasticité.
Par contre, l'addition de bore n'entraîne pas d'augmentation du
pourcentage de martensite, mais conduit plutôt à un affinement de la
martensite et des phases carburées.
Essai 2 : Influence du traitement thermique
Cette influence a été étudiée pour la nuance D pour trois vitesses de
ligne et pour trois températures de maintien (en m/min):
T maintien V ligne Rm A %M
80 502 29,4 1
770 120 528 27,6 4
Nuance D 150 534 27,3 6
80 500 26,2 2
790 120 526 29,0 4
150 530 28,6 6
80 505 29,9 3
810 120 521 25,8 4
150 530 26,4 6
On constate que la température de maintien et la vitesse de ligne ont
une faible influence sur les caractéristiques mécaniques obtenues. Ceci
présente un grand intérêt pour une application industrielle qui en doit pas
être
sensible à ce type de variations.
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Cette influence a ensuite été étudiée pour la nuance F :
T maintien V ligne Rm A %M
80 692 18,6 6
770 120 687 15,3 6
Nuance F 150 715 13,7 6
80 664 17,3 6
790 120 673 15,2 6
150 688 16,6 6
80 634 15,9 6
810 120 654 16,0 6
150 666 17,7 6
On constate que l'ajout de bore à la nuance selon l'invention stabilise
de façon remarquable la proportion de martensite formée qui ne varie
absolument pas, quels que soient les paramètres du traitement thermique.
Essai 3 : Galvanisabilité
io
On galvanise au trempé à chaud des feuilles des nuances A, B, C et F
et en réglant le point de rosée à -40 C. Les feuilles réalisées dans les
nuances A et B présentent des manques dans leurs revêtements, au
contraire des nuances C et F qui présentent des revêtements continus.
