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CA 02506352 2005-05-17
WO 2004/048630 PCT/FR2003/003360
PIECE D'ACIER DE CONSTRUCTION SOUDABLE ET PROCEDE DE
FABRICATION
s La présente invention concerne des pièces d'acier de construction
soudables et leur procédé de fabrication.
Les aciers de construction doivent présenter un certain niveau de
caractéristiques mécaniques pour ëtre adaptés à l'usage que l'on souhaite en
faire, et ils doivent en particulier présenter une dureté élevée. Pour cela,
on
~o utilise des aciers susceptibles d'être trempés, c'est à dire pour lesquels
on
peut obtenir une structure martensitique ou bainitique lorsqu'on les refroidit
de façon suffisamment rapide et efficace. On définit ainsi une vitesse
critique
bainitique, au-delà de laquelle on obtient une structure bainitique,
martensitique ou martensito-bainitique, en fonction de la vitesse de
is refroidissement atteinte.
L'aptitude à la trempe de ces aciers dépend de leur teneur en
éléments trempants. En règle générale, plus ces éléments sont présents en
grande quantité, plus la vitesse critique bainitique est faible.
En dehors de leurs caractéristiques mécaniques, les aciers de
2o construction doivent également présenter une bonne soudabilité. Or,
lorsqu'on soude une pièce d'acier, la zone de soudage, encore appelée Zone
Affectée Thermiquement ou ZAT, est soumise à une très haute température
pendant un temps bref, puis à un refroidissement brutal qui vont confërer à
cette zone une dureté élevée qui peut conduire à des fissurations et
2s restreindre ainsi la soudabilité de l'acier.
D'une façon classique, la soudabilité d'un acier peut étre estimée à
l'aide du calcul de son "carbone équivalent" donné par la formule suivante
Céq = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15)
En première approximation, plus son carbone équivalent est faible plus
30 l'acier est soudable. On comprend donc que l'amélioration de la
trempabilité,
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qui passe par une plus grande teneur en éléments trempants, se fait au
détriment de la soudabilité.
Pour améliorer la trempabilité de ces acïers sans dégrader leur
soudabilité, on a alors développé des nuances micro-alliées au bore, en
s profitant de ce que, notamment, l'efficacité trempante de cet élément
diminue
lorsque la température d'austénitisation augmente. Ainsi, la ZAT est moins
trempante qu'elle ne le serait dans une nuance de méme trempabilité sans
bore, et l'on peut ainsi diminuer trempabilité et dureté de cette ZAT.
Toutefois, comme l'effet trempant du bore dans la partie non soudée
lo de l'acier tend à saturer pour des teneurs efficaces de 30 à 50 ppm, une
amélioration supplémentaire de la trempabilité de l'acier ne peut alors se
faire
qu'en ajoutant des éléments trempants dont l'efficacité ne dépend pas de la
température d'austénitisation, ce qui pénalise automatiquement la soudabilité
de ces aciers. De même, l'amélioration de la soudabilité passe par la
Is diminution des teneurs en éléments trempants, qui réduit automatiquement la
trempabilité.
Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en
proposant un acier de construction ayant une trempabilité améliorée sans
diminution de sa soudabilité.
2o A cet effet, l'invention a pour premier objet une pièce d'acier de
construction soudable dont la composition chimique comprend, en poids
0,40% < C < 0,50%
0,50% < Si < 1,50%
0%<Mn<3%
2s 0%<Ni<5%
0% < Cr < 4%
0%<Cu<1%
0%<Mo+V1//2<1,5%
0,0005% < B < 0,010%
N < 0,025%
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AI <_ 0,9%
Si+AI<_2,0%
éventuellement au moins un élément pris parmi V, Nb, Ta, S et Ca, en
des teneurs inférieures à 0,3%, et/ou parmi Ti et Zr en des teneurs
inférieures ou égales à 0,5%, le reste étant du fer et des impuretés
résultant de l'élaboration,
s les teneurs en aluminium, en bore, en titane et en azote, exprimées en
millièmes de %, de ladite composition satisfaisant en outre la relation
suivante
B >_ ~ ~eK+0,5, (1)
avec K = Min (I* ; J*)
io I* = Max (0 ; I) et J* = Max (0 ; J)
I = Min(N ; N-0,29(Ti-5))
J = Min N ; 0,5C N-0,52 AI+ (N-0,52AI)2+ 283J ,
et dont la structure est bainitique, martensitique ou martensito-bainitique et
comprend en oufire de 3 à 20% d'austénite résiduelle, de préférence de 5 à
is 20% d'austénite résiduelle.
Dans un mode de réalisation préféré, la composition chimique de
l'acier de la pièce selon l'invention satisfait en outre la relation
1,1%Mn + 0,7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) >_ 1, de préférence ? 2 (2)
Dans un autre mode de réalisation préféré, la composition chimique de
20 l'acier de la pièce selon l'invention satisfait en outre la relation
%Cr + 3(%Mo + %W/2) >_ 1,8, de préférence ? 2,0.
L'invention a également pour deuxième objet un procédé de
fabrication d'une pièce en acier soudable selon l'invention, caractérisé en ce
que
2s - on austénitise la pièce par chauffage à une température comprise entre
Ac3 et 1 000°C, de préférence comprise entre Ac3 et 950°C,
puis on la
refroidit jusqu'à une température inférieure ou égale à 200°C de telle
sorte
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que, au coeur de la pièce, la vitesse de refroidissement entre 800°C et
500°C soit supérieure ou égale à la vitesse critique bainitique,
- éventuellement, on effectue un revenu à une température inférieure ou
égale à Ac,. '
s Entre 500°C environ et l'ambiante et notamment entre 500°C et
une
température inférieure ou égale à 200°C, la vitesse de refroidissement
peut
étre éventuellement ralentie, notamment pour favoriser un phénomène
d'auto-revenu et la rétention de 3% à 20% d'austénite résiduelle.
Préférentiellement, la vitesse de refroidissement entre 500°C et
une
1o température inférieure ou égale à 200°C sera alors comprise entre
0,07°C/s
et 5°C/s ; plus préférentiellement entre 0,15°C/s et
2,5°C/s.
Dans un mode de réalisation préféré, on effectue un revenu à une
température inférieure à 300°C pendant un temps inférieur à 10 heures,
à
l'issue du refroidissement jusqu'à une température inférieure ou égale à
1s 200°C.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le procédé selon l'invention
ne comprend pas de revenu à l'issue du refroidissement de la pièce jusqu'à
une température inférieure ou égale à 200°C.
Dans un autre mode de réalisation préféré, la pièce soumise au
2o procédé selon l'invention est une tôle d'épaisseur comprise entre 3 et
150 mm.
L'invention a pour troisième objet un procédé de fabrication d'une tôle
en acier soudable selon l'invention, dont l'épaisseur est comprise entre 3 mm
et 150 mm, et qui est caractérisé en ce qu'on réalise une trempe de ladite
2s tôle, la vitesse de refroidissement VR au coeur de la tôle entre
800°C et
500°C, exprimée en °C/heure, et la composition de l'acier étant
telles que
1,1 %Mn + 0,7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log V~ ? 5,5,
et de préférence >_ 6, log étant le logarithme décimal.
La présente invention est basée sur le constat nouveau que l'ajout de
3o silicium dans les teneurs indiquées ci-dessus permet d'accro?tre l'effet
trempant du bore de 30 à 50%. Cette synergie intervient sans augmentation
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de la quantité de bore ajoutée, alors que le silicium ne présente pas d'effet
trempant notable en l'absence de bore.
D'autre part, l'ajout de silicium n'affecte pas la propriété du bore de voir
sa trempabilité se réduire puis s'annuler avec des températures
s d'austénitisation croissantes, comme c'est le cas dans la ZAT.
On voit donc que l'utilisation de silicium en présence de bore permet
d'augmenter encore la trempabilité de la pièce sans altérer sa soudabilité.
Par ailleurs, on a également découvert que, grâce à l'amélioration de
la trempabilité de ces nuances d'aciers, et en garantissant une teneur
lo minimale en éléments carburigènes que sont, notamment, le chrome, le
molybdène et le tungstène, on pouvait fabriquer ces aciers en n'effectuant
qu'un revenu à faible température, voire méme en le supprimant.
En effet, l'amélioration de la trempabilité permet de refroidir les pièces
plus lentement, tout en garantissant une structure essentiellement bainitique,
is martensitique ou martensito-bainitique. Ce refroidissement plus lent
combiné
à une teneur suffisante en éléments carburigènes permet alors la
précipitation de fins carbures de chrome, de molybdène et/ou de tungstène
par un phénomène dit d'auto-revenu. Ce phénomène d'auto-revenu est , de
plus, grandement favorisé par le ralentissement de la vitesse de
2o refroidissement en dessous de 500°C. De même ce ralentissement
favorise
aussi la rétention d'austénite, préférentiellement dans une proportion
comprise entre 3% et 20%. On simplifie donc le procédé de fabrication, tout
en améliorant les caractéristiques mécaniques de l'acier, qui ne subit plus
d'adoucissement important dû à un revenu à haute température, comme on
zs le pratique habituellement. II reste cependant possible d'effectuer un tel
revenu aux températures usuelles, c'est à dire inférieures ou égales à Ac,.
L'invention va maintenant étre décrite plus en détail mais de façon non
limitative.
L'acier de la pièce selon l'invention contient, en poids
30 - plus de 0,40% de carbone, pour permettre d'obtenir d'excellentes
caractéristiques mécaniques, mais moins de 0,50% pour obtenir une bonne
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soudabilité, une bonne découpabilité, une bonne aptitude au pliage et une
ténacité satisfaisante ;
- plus de 0,50%, de préférence plus de 0,75%, et de façon particulièrement
préférée plus de 0,85% en poids, de sïlicium afin d'obtenir la synergie avec
le
s bore, mais moins de 1,50% en poids pour ne pas fragiliser l'acier ;
- plus de 0,0005%, de préférence plus de 0,001 % de bore pour ajuster la
trempabilité, mais moins de 0,010% en poids pour éviter une trop grande
teneur en nitrures de bore néfastes pour les caractéristiques mécaniques de
l'acier ;
- moins de O,OêS%, et de préférence moins de 0,015% d'azote, la teneur
obtenue étant fonction du procédé d'élaboration de l'acier,
io - de 0% à 3% et, de préférence de 0,3% à 1,8% de manganèse, de 0% à 5%
et, de préférence de 0% à 2% de nickel, de 0% à 4% de chrome, de 0 à 1
de cuivre, la somme de la teneur en molybdène et de la moitié de la teneur
en tungstène étant inférieure à 1,50% de façon à obtenir une structure
principalement bainitique, martensitique ou martensito-bainitique, le chrome,
ls le molybdène et le tungstène ayant, de plus, l'avantage de permettre la
formation de carbures favorables à la résistance mécanique et à l'usure
comme indiqué précédemment ; en outre, la somme %Cr + 3(%Mo + %W/2)
est de préférence supérieure à 1,8 %, et de façon parfiiculièrement préférée
supërieure à 2,0%, afin de pouvoir éventuellement limiter le revenu à
300°C,
2o voire de le supprimer ;
- moins de 0,9% d'aluminium, qui au-delà serait néfaste pour la coulabilitë
(bouchage des conduits de coulée par des inclusions). La teneur cumulée en
aluminium et en silicium doit en outre ëtre inférieure à 2,0% afin de limiter
les
risques de déchirure lors du laminage.
2s - éventuellement au moins un élément pris parmi V, Nb, Ta, S et Ca, en des
teneurs inférieures à 0,3%, et/ou parmi Ti et Zr en des teneurs inférieures ou
égales à 0,5%. L'ajout de V, Nb, Ta, Ti, Zr permet d'obtenir un durcissement
par précipitation sans détériorer excessivement la soudabilité. Le titane, le
zirconium et l'aluminium peuvent âtre utilisés pour fixer l'azote présent dans
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l'acier ce qui protège le bore, le titane pouvant étre remplacé en tout ou
partie
par un poids double de Zr. Le soufre et le calcium permettent d'améliorer
l'usinabilité de la nuance ;
- les teneurs en aluminium, en bore, en titane et en azote, exprimées en
millièmes de %, de ladite composition satisfaisant en outre la relation
suivante
B >- 3 xK+0,5, (1)
s avec K = Min (I* ; J*)
I*= Max(0;1) et J*=Max(O;J)
I = Min(N ; N-0,29~Ti-5~)
J = Min N ; 0,5C N-0,52 AI+ (N-0,52AI)2+ 283J ,
- le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
io Pour fabriquer une pièce soudable, on élabore un acier conforme à
l'invention, on le coule sous forme d'un demi produit qui est alors mis en
forme par déformation plastique à chaud, par exemple par laminage ou par
forgeage. La pièce ainsi obtenue est alors austénitisée par chauffage à une
température au dessus de Ac3 mais inférieure à 1 000°C, et de
préférence
is infërieure à 950°C, puis refroidie jusqu°à la température
ambiante de telle
sorte que, au coeur de la pièce, la vitesse de refroidissement entre
800°C et
500°C soit supérieure à la vitesse critique bainitique. On limite la
température
d'austénitisation à 1 000°C, car au-delà l'effet trempant du bore
devient trop
faible.
~o Toutefois, il est également possible d'obtenir la pièce par
refroidissement direct dans la chaude de mise en forme (sans
réausténitisation) et dans ce cas, même si le chauffage avant mise en forme
dépasse 1000°C tout en restant inférieur à 1300°C, le bore
conservant alors
son effet.
2s Pour refroidir la pièce jusqu'à la température ambiante, depuis la
température d'austénitisation, on peut tremper utiliser tous les procédés de
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trempes connus (air, huile, eau) dès lors que la vitesse de refroidissement
reste supérieure à la vitesse critique bainitique.
On soumet ensuite éventuellement la pièce à un revenu classique à
une température inférieure ou égale à Ace, mais on préfère limiter la
s température à 300°C, voire même supprimer cette étape. En effet,
l'absence
de revenu peut être, éventuellement, compensée par un phénomène d'auto-
revenu. Celui-ci est notamment favorisé en autorisant une vitesse de
refroidissement à basse température (c'est à dire en dessous de 500°C
environ) préférentiellement comprise entre 0,07°C/s et 5°C/s ;
plus
lo préférentiellement entre 0,15°C/s et 2,5°C/s.
A cet effet, on pourra employer tous fes moyens de trempe connus, à
condition de les contrôler si nécessaire. Ainsi, on pourra par exemple
utiliser
une trempe à l'eau si on ralentit la vitesse de refroidissement lorsque la
température de la pièce descend en dessous de 500°C, ce qui pourra
is notamment se faire en sortant la pièce de l'eau pour finir la trempe à
l'air.
On obtient ainsi une pièce, et notamment une tôle, soudable
constituée d'acier ayant une structure bainitique, martensitique ou
martensito-bainitique à coeur, comprenant de 3 à 20% d'austénite résiduelle.
La présence d'austénite résiduelle offre un intérêt particulier en regard
zo du comportement de l'acier au soudage. En effet, en vue de limiter le
risque
de fissuration au soudage, et complémentairement à la réduction
susmentionnée de la trempabilité de la ZAT, la présence d'austénite
résiduelle dans le métal de base, au voisinage de la 2AT, permet de fixer une
partie de l'hydrogène dissous, éventuellement introduit par l'opération de
2s soudage, hydrogène qui, s'il n'était pas ainsi fixë, viendrait accroître le
risque
de fissuration.
A titre d'exemple, on a fabriqué des lingotins avec les aciers 1 et 2
conformes à l'invention, et avec les aciers A et B selon l'art antérieur, dont
les
compositions sont, en millièmes de % en poids, et à l'exception du fer
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C Si B Mn Ni Cr Mo W V Nb Ti AI N
1 415 870 2 1150510 1110450 - - - - 55 6
A 420 315 3 1150520 1130460 - - - - 52 5
2 450 830 3 715 1410 1450410 230 65 38 32 25 6
B 460 280 3 720 1430 1470425 240 63 42 31 27 6
Après forgeage des lingotins, la trempabilité des quatre aciers a été
évaluée par dilatométrie. On s'est ici intéressé à titre d'exemple à la
trempabilité martensitique et donc à la vitesse critique martensitique V1
après
s une austénitisation à 900°C pendant 15 minutes.
On déduit de cette vitesse V1 les épaisseurs maximales des tôles que
l'on peut obtenir en conservant une structure essentiellement martensitique à
coeur et comprenant également au moins 3% d'austénite résiduelle. Ces
épaisseurs ont été déterminées dans le cas d'une trempe à l'air (A), à l'huile
lo (H) et à l'eau (E).
Enfin, on a estimé la soudabilité des deux aciers en calculant leur
pourcentage de carbone équivalent selon la formule
Céq = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15)
Les caractéristiques des lingotins L1 et L2 conformes à l'invention, et
is des lingotins LA et LB, donnés à titre de comparaison, sont
LingotinV1 Epaisseur Cq
max.
(mm)
(C/h) A H E (%)
L1 8 800 7 60 100 0,95
LA 15 4 40 75 0,91
000
L2 5 000 13 80 120 1,07
LB 8 200 8 55 85 1,09
On constate que les vitesses critiques martensitiques des pièces
selon l'invention sont nettement inférieures aux vitesses correspondantes des
20 lingotins en acier de l'art antérieur, ce qui signifie que leur
trempabilité a été
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sensiblement améliorée, alors que dans le même temps leur soudabilité est
inchangée.
L'amélioration de la trempabilité permet ainsi de fabriquer des pièces
à structure trempée à coeur dans des conditions de refroidissement moins
s drastiques que celles de l'art antérieur et/ou dans des épaisseurs maximum
plus fortes.
