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CA 02513096 2005-07-12
WO 2004/070064 PCT/FR2004/000058
ACIER LAMINE A CHAUD A TRES HAUTE RESISTANCE ET PROCEDE
DE FABRICATION DE BANDES
La présente invention concerne un acier laminé à chaud à très haute
résistance, et un procédé de fabrication de bandes de cet acier, dont la
structure est bainito-martensitique et peut contenir jusqu'à 5% de ferrite.
Les aciers à très haute résistance ont été développés ces dernières
io années, notamment afin de répondre aux besoins spécifiques de l'industrie
automobile, qui sont en particulier la réduction du poids et donc de
l'épaisseur des pièces, et l'amélioration de la sécurité qui passe par
l'augmentation de la résistance à la fatigue et de la tenue aux chocs des
pièces. Ces améliorations ne doivent en outre pas détériorer l'aptitude à la
mise en forme des tôles utilisées pour la fabrication des pièces.
Cette aptitude à la mise en forme suppose que l'acier présente un
allongement A important (> 10%) ainsi qu'un rapport de la limite d'élasticité
E
sur la résistance à la traction Rm ayant une valeur basse.
L'amélioration de la tenue aux chocs des pièces mises en forme peut
être réalisée de différentes façons et, en particulier, en utilisant des
aciers
possédant d'une part un allongement A important et, d'autre part, un rapport
E/Rm ayant une valeur basse, ce qui permet après mise en forme et grâce à
la capacité de consolidation de l'acier d'augmenter sa limite d'élasticité.
La tenue en fatigue des pièces définit leur durée de vie en fonction des
contraintes subies, et peut être améliorée en augmentant la résistance à la
traction Rm de l'acier. Mais, l'augmentation de la résistance détériore
l'aptitude à la mise en forme de l'acier, limitant ainsi les pièces
réalisables, en
particulier en ce qui concerne leur épaisseur.
Par acier à très haute résistance, on désigne dans le cadre de la
présente invention, un acier dont la résistance à la traction Rm est
supérieure
à 800 MPa.
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On connaît une première famille d'aciers à très haute résistance, qui
sont des aciers contenant des proportions élevées de carbone (plus de 0,1%)
et de manganèse (plus de 1,2%) et dont la structure est entièrement
martensitique. Ils présentent une résistance de plus de 1000 MPa, obtenue
par un traitement thermique de trempe, mais ont un allongement A de moins
de 8% ce qui interdit toute mise en forme.
Une deuxième famille d'aciers à très haute résistance est constituée
d'aciers dits dual phase, à structure comprenant environ 10% de ferrite et
90% de martensite. Ces aciers présentent une très bonne formabilité, mais
lo des niveaux de résistance ne dépassant pas 800 MPa.
Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des
aciers de l'art antérieur en proposant un acier laminé à chaud à très haute
résistance, apte à la mise en forme, et présentant une tenue en fatigue et une
tenue aux chocs améliorées.
A cet effet, l'invention a pour premier objet un acier laminé à chaud à
très haute résistance, caractérisé en ce que sa composition chimique
comprend, en poids :
0,05% < C < 0,1%
0,7% <Mn<1,1%
0,5% < Cr < 1,0%
0,05% < Si < 0,3%
0,05<_Ti<0,1%
AI <_ 0,07
S < 0,03%
P < 0,05%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration,
ledit acier ayant une structure bainito-martensitique pouvant contenir jusqu'à
5% de ferrite.
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Dans un mode de réalisation préféré, la composition chimique
comprend en outre, en poids :
0,08% < C < 0,09%
0,8% < Mn < 1,0%
0,6% < Cr < 0,9%
0,2% < Si < 0,3%
0,05% < Ti < 0,09%
AI <- 0,07
S < 0,03%
P < 0,05%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
io Dans un autre mode de réalisation préféré, la structure de l'acier selon
l'invention est constituée de 70 à 90% de bainite, de 10 à 30% de martensite
et de 0 à 5% de ferrite, et de façon plus particulièrement préférée, de 70 à
85% de bainite, de 15 à 30% de martensite et de 0 à 5% de ferrite.
L'acier selon l'invention peut également comprendre les
caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
- une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 950 MPa,
- un allongement à la rupture A supérieur ou égal à 10%,
- une limite d'élasticité E supérieure ou égale à 680 MPa,
- un rapport E/Rm inférieur à 0,8.
L'invention a également pour deuxième objet un procédé de fabrication
d'une bande d'acier laminé à chaud à très haute résistance selon l'invention,
dans lequel on lamine à chaud une brame dont la composition comprend
0,05% < C < 0,1%
0,7% <Mn<1,1%
0,5% < Cr < 1,0%
0,05% < Si < 0,3%
0,05:g Ti < 0,1%
Al<- 0,07%
S < 0,03%
P < 0,05%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration,
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la température de laminage étant inférieure à 950 C, puis on fait refroidir la
bande ainsi obtenue jusqu'à une température inférieure ou égale à 400 C, en
maintenant une vitesse de refroidissement supérieure à 50 C/s entre 800 et
700 C, puis on bobine ladite bande à une température de bobinage inférieure
ou égale à 250 C.
Dans un mode de réalisation préféré, la composition de la brame est la
suivante :
0,08% < C < 0,09%
0,8% <Mn<1,0%
0,6% < Cr < 0,9%
0,2% < Si < 0,3%
0,05% < Ti < 0,09%
AI <_ 0,07%
S < 0,03%
P < 0,05%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
Dans un autre mode de réalisation préféré, la bande d'acier laminé à
chaud est revêtue de zinc ou d'un alliage de zinc, par immersion dans un bain
de zinc ou d'alliage de zinc fondu, à l'issue du bobinage et après avoir été
débobinée, puis recuite.
Le procédé selon l'invention consiste tout d'abord à laminer à chaud une
brame de composition spécifique, afin d'obtenir une structure homogène. La
température de laminage est inférieure à 950 C, et de préférence inférieure à
900 C.
A l'issue du laminage, on fait refroidir la bande ainsi obtenue jusqu'à une
température inférieure ou égale à 400 C, en maintenant une vitesse de
refroidissement supérieure à 50 C/s entre 800 et 700 C. Ce refroidissement
rapide est effectué de telle sorte que l'on forme moins de 5% de ferrite, dont
on ne souhaite pas la présence, car le titane précipiterait préférentiellement
dans cette phase. Cette vitesse de refroidissement est de préférence
comprise entre 50 C/s et 200 C/s.
Le procédé consiste ensuite à bobiner la bande à une température de
bobinage inférieure ou égale à 250 C. On limite la température de cette étape
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afin d'éviter de provoquer un revenu de la martensite, qui diminuerait la
résistance mécanique et ferait remonter la limite élastique, d'ou un mauvais
ratio E/Rm.
La composition selon l'invention comprend du carbone à une teneur
5 comprise entre 0,05% et 0,100%. Cet élément est essentiel à l'obtention de
bonnes caractéristiques mécaniques, mais ne doit pas être présent en trop
grande quantité, car il pourrait générer des ségrégations. Une teneur en
carbone inférieure à 0,100 permet notamment d'avoir une bonne soudabilité,
et une amélioration des propriétés de mise en forme et de limite d'endurance.
Elle comprend également du manganèse à une teneur comprise entre
0,7% et 1,1 %. Le manganèse améliore la limite d'élasticité de l'acier tout en
réduisant fortement sa ductilité, ce pour quoi on limite sa teneur. Une teneur
inférieure à 1,1% permet également d'éviter toute ségrégation lors de la
coulée continue.
La composition comprend également du chrome à une teneur
comprise entre 0,50% et 1,0%. Une teneur minimale de 0,50% permet de
favoriser l'apparition de la bainite dans la microstructure. On limite
cependant
sa teneur à 1,0% car une teneur élevée en chrome favoriserait l'augmentation
de la quantité de ferrite formée au-delà de 5%, en raison de son caractère
alphagène.
La composition comprend également du silicium à une teneur comprise
entre 0,05% et 0,3%. Il améliore fortement la limite d'élasticité de l'acier
tout
en réduisant faiblement sa ductilité et en détériorant sa revêtabilité, ce qui
explique pourquoi on limite sa teneur.
La composition comprend également du titane à une teneur comprise
entre 0,05 et 0,1%. Cet élément permet d'accroître notablement les
caractéristiques mécaniques par un phénomène de précipitation au cours du
laminage et du refroidissement. Il n'augmente pas la dureté à chaud du fait de
sa teneur modérée. On limite sa teneur à 0,1% pour éviter de dégrader les
propriétés de résistance au choc, la dureté à chaud, ainsi que l'aptitude au
pliage.
La composition peut également comprendre du phosphore à une
teneur inférieure à 0,05%, car au-delà il pourrait poser des problèmes de
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ségrégation lors de la coulée continue.
La composition comprend également de l'aluminium à une teneur
comprise inférieure à 0,07%, qui intervient lors du calmage de l'acier lors de
son élaboration à l'aciérie.
Exemples
A titre d'exemple non limitatif, et afin de mieux illustrer l'invention, une
nuance d'acier a été élaborée. Sa composition est donnée dans le tableau
suivant :
C Mn Cr Si Ti s P AI
A 0,078 0,95 0,79 0,233 0,094 0,001 0,038 0,048
Le reste de la composition est constitué de fer et d'impuretés inévitables
résultant de l'élaboration.
Abréviations employées
Rm : résistance à la traction en MPa,
RpO,2: limite d'élasticité en MPa,
A : allongement, mesuré en %
A partir de la nuance A, on a préparé trois échantillons, en les laminant
à 860 C, puis en les soumettant à des chemins thermo-mécaniques
différents. On a fait varier les vitesses de refroidissement entre 800 et 700
C,
ainsi que la température de bobinage, afin de mettre en évidence les
différences de structure obtenues.
On mesure ensuite les caractéristiques mécaniques des aciers
obtenus. Les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant :
Essai V7cm T bob Rm Rp0,2 E/Rm A%
( C) ( C) (MPa) (MPa)
1 * 57 200 995 690 0,7 14
2 42 200 780 635 0,8 14
3 20 400 800 705 0,9 -
* selon l'invention.
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La microstructure de l'essai 1, conforme à l'invention, est bainito-
martensitique, tandis que la microstructure des essais 2 et 3 est ferrito-
bainitique.
On constate qu'une vitesse de refroidissement entre 800 et 700C
inférieure à 50 C/s, induit une présence de ferrite dans une proportion
supérieure à 5%. Le titane va alors précipiter dans cette ferrite, ce qui ne
permet plus d'obtenir le niveau de caractéristiques mécaniques recherché, en
particulier un Rm élevé.
Par ailleurs, une température de bobinage supérieure à 250 C,
associée à une vitesse de refroidissement entre 800 et 700 C inférieure à
50 C/s, augmente la limite d'élasticité sans augmenter la résistance
mécanique. Le rapport E/Rm est donc trop élevé.
Enfin, on constate qu'une vitesse de refroidissement entre 800 et
700 C supérieure à 50 C/s, associée à une température de bobinage
inférieure à 250 C, donne d'excellentes valeurs de résistance mécanique et
de limite d'élasticité. La structure essentiellement bainito-martensitique
confère au produit un bon ratio E/Rm et un allongement supérieur à 10%.
En outre, l'acier selon l'invention présente une bonne aptitude au
revêtement par immersion dans un bain de métal fondu, tel que du zinc ou un
alliage de zinc, ou que de l'aluminium ou un de ses alliages.
