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CA 02506353 2005-05-17
WO 2004/048631 PCT/FR2003/003361
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 être adaptés à l'usage que l'on souhaite en
faire, et ils doivent en particulier présenter une dureté élevée. Pour cela,
on
lo 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 trempé 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 none
Affectée Thermiquement ou ZAT, est soumise à une très haute température
pendant un temps bref, puis à un refroidissement brutal qui vont conférer 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 être 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 aciers 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 même 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
ls 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
0,10% < C < 0,22%
0,50% < Si < 1,50%
~AI 5 0,9%
2s 0%<Mn<3%
0%<Ni<5%
0% < Cr < 4%
0%<Cu<1%
0% < Mo + W/2 < 1,5%
30 0,0005% < B < 0,010%
N < 0,025%
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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 ëtant 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 >- 3 ~cK+0,5, (1)
avec K = Min (I* ; J*)
lo 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 - 0,52 AI)2 + 283 ,
les teneurs en silicium et en aluminium de la composition vérifiant en outre
les conditions suivantes
ls si C > 0,145, alors Si + AI < 0,95
et dont la structure est bainitique, martensitique ou martensito-bainitique et
comprend en outre de 3 à 20% d'austénite résiduelle, de préférence de 5 à
20% d'austénite résiduelle.
Dans un mode de réalisation préféré, la composition chimique de
20 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
l'acier de la pièce selon l'invenfiion satisfait en outre la relation
%Cr + 3(%Mo + %W/2) > 1,8, de préférence >_ 2,0.
2s L'invention a également pour deuxième objet un procédé de
fabrication d'une pièce en acier soudable selon l'invention, caractérisé en ce
que
- 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
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refroidit jusqu'à une température inférieure ou égale à 200°C de telle
sorte
que, au coaur 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
s égale à Ac,.
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
être éventuellement ralentie, notamment pour favoriser un phénomène
d'auto-revenu et la rétention de 3% à 20% d'austénite résiduelle.
io Préférentiellement, la vitesse de refroidissement entre 500°C et une
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
is l'issue du refroidissement jusqu'à une température inférieure ou égale à
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.
2o Dans un autre mode de réalisation préféré, la pièce soumise au
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
2s et 150 mm, et qui est caractérisé en ce qu'on réalise une trempe de ladite
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 VR >_ 5,5,
et de préférence >_ 6, log étant le logarithme décimal.
3o La présente invention est basée sur le constat nouveau que l'ajout de
silicium dans les teneurs indiquées ci-dessus permet d'accroître l'effet
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trempant du bore de 30 à 50%. Cette synergie intervient sans augmentation
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
s sa trempabilité se réduire puis s'annuler avec des températures
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
io la trempabilité de ces nuances d'aciers, et en garantissant une teneur
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 mëme en le supprimant.
En effet, l'amélioration de la trempabilité permet de refroidir les pièces
ls plus lentement, tout en garantissant une structure essentiellement
bainitique,
martensitique ou martensito-bainitique. Ce refroidissement plus lent combiné
à une teneur suffisante en éléments carburigénes permet alors la
précipitation de fins carbures de chrome, de molybdéne et/ou de tungstène
par un phénomène dit d'auto-revenu. Ce phénomène d'auto-revenu est , de
zo plus, grandement favorisé par le ralentissement de la vitesse de
refroidissement en dessous de 500°C. De méme 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
2s d'adoucissement important dû à un revenu à haute température, comme on
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 être décrite plus en détail mais de façon non
limitative.
3o L'acier de la pièce selon l'invention contient, en poids
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- plus de 0,10% de carbone, pour permettre d'obtenir une dureté suffisante,
mais moins de 0,22% pour obtenir une excellente 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
s préférée plus de 0,85% en poids, de silicium afin d'obtenir la synergie avec
le
bore, mais moins de 1,5% 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
lo l'acier ;
- moins de 0,025%, et de préférence moins de 0,015% d'azote, la teneur
obtenue étant fonction du procédé d'élaboration de l'acier,
- 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
ls principalement bainitique, martensitique ou martensito-bainitique, le
chrome,
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 particulièrement préférée
2o supérieure à 2,0%, afin de pouvoir éventuellement limiter le revenu à
300°C,
voire de le supprimer ;
- 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% et/ou de l'aluminium à une teneur inférieure à 0,9%. L'ajout de
2s 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 être utilisés pour fixer l'azote présent dans l'acier ce qui protége
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.
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L'aluminium est limité à 0,9% pour éviter tout problème de bouchage des
conduits lors de la coulée.
- 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)
avec K = Min (I* ; J*)
s I*= Max(0; I) 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+ 283 ,
avec la condition supplémentaire que
io - si C > 0,145 (et de préférence > 0,140), alors Si + AI < 0,95, et de
préférence < 0,90, afin de délimiter clairement l'invention par rapport à la
demande antérieure EP 0 725 156,
- le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
Pour fabriquer une pièce soudable, on élabore un acier conforme à
is 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
inférieure à 950°C, puis refroidie jusqu'à la température ambiante de
telle
2o 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.
Toutefois, il est également possible d'obtenir la pièce par
2s refroidissement direct dans la chaude de mise en forme (sans
réausténitisation) et dans ce cas, même si le chauffage avant mise en forme
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dépasse 1000°C tout en restant inférieur à 1300°C, le bore
conservant son
effet dans ce cas.
Pour refroidir la pièce jusqu'à la température ambiante, depuis la
température d'austénitisation, on peut tremper utiliser tous les procédés de
s 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 Ac,, mais on préfère limiter la
température à 300°C, voire même supprimer cette étape. En effet,
l'absence
lo de revenu peut ëtre, 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°/s et 5°/s ;
plus
préférentiellement entre 0,15°C/s et 2,5°C/s.
is A cet effet, on pourra employer tous les 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
notamment se faire en sortant la pièce de l'eau pour finir la trempe à l'air.
2o 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 intérét particulier en regard
du comporfiement de l'acier au soudage. En effet, en vue de limiter le risque
2s 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 ZAT, permet de fixer une
partie de l'hydrogène dissous, éventuellement introduit par l'opération de
soudage, hydrogène qui non ainsi fixé, viendrait accroître le risque de
3o fissuration.
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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
C Si B Mn Ni Cr Mo W V Nb Ti AI N
1 145 875 3 1160 180 1600170 0 0 0 0 55 7
A 147 310 3 1140 210 1610175 0 0 0 0 52 6
2 215 740 2 1120 190 155090 240 55 0 120 10 6
B 212 280 3 1090 200 1590120 190 65 0 95 12 6
s Après forgeage des lingotins, la trempabilité des quatre aciers a été
évaluée par dilatomètrie. On s'est ici intéressé à titre d'exemple à la
trempabilité martensitique et donc à la vitesse critique martensitique V1
après
une austénitisation à 900°C pendant 15 minutes.
On déduit de cette vitesse V1 les épaisseurs maximales des tôles que
lo 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
(H) et à l'eau (E).
Enfin, on a estimé la soudabilité des quatre aciers en calculant leur
Is 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
des lingotins LA et LB, données à titre de comparaison, sont
LingotinV1 Epaisseur Cq
max.
(mm)
(C/h) A H E (%)
L1 12 6 50 80 0,704
000
LA 30 2 25 50 0,708
000
L2 7 500 9 60 110 0,777
LB 17 4 40 70 0,781
000
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On constate que les vitesses critiques martensitiques des pièces
selon l'invention sont nettement inférieures aux vitesses correspondantes des
lingotins en acier de l'art antérieur, ce qui signifie que leur trempabilité a
été
s 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
drastiques que celles de l'art antérieur et/ou dans des épaisseurs maximum
lo plus fortes.
