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W02008/053273
PCT/1132006/004019
BANDES D'ACIER REVETUES, PROCEDES DE FABRICATION DE
CELLES-CI, PROCEDES D'UTILISATION DE CELLES-CI,
EBAUCHES D'EMBOUTISSAGE PREPAREES A PARTIR DE CELLES-
CI, PRODUITS EMBOUTIS PREPARES A PARTIR DE CELLES-CI,
ET ARTICLES MANUFACTURES CONTENANT UN PRODUIT EMBOUTI
DE CE TYPE
Domaine de l'invention
La présente invention est relative, entre autres, à des
aciers revêtus, à des procédés de fabrication d'aciers
revêtus de ce type, comprenant l'immersion au trempé, à
des procédés d'utilisation d'aciers revêtus de ce type,
à des ébauches d'emboutissage préparées à partir
d'aciers revêtus, à des produits emboutis préparés à
partir d'aciers revêtus, ainsi qu'a différentes
utilisations des produits de l'invention, par exemple
en soudage par points, etc.
Des avantages supplémentaires et
d'autres
caractéristiques de la présente invention seront
exposés dans la description qui suit et apparaîtront en
partie clairement à l'homme du métier à l'examen de ce
qui suit, ou peuvent être appris à partir de la mise en
pratique de la présente invention. Les avantages de la
présente invention peuvent être réalisés et obtenus
selon la manière qui est particulièrement mise en
évidence dans les revendications annexées. Comme on le
réalisera, la présente invention peut faire l'objet
d'autres modes de réalisation et de modes de
réalisation différents, et ses différents détails
peuvent faire l'objet de modifications dans différents
aspects évidents, le tout sans sortir de la présente
invention. La description doit être considérée comme
ayant une nature illustrative, et non restrictive.
Arrière-plan de l'invention
Ces dernières années, l'utilisation d'aciers pré-
revêtus dans des procédés d'emboutissage à chaud pour
façonner des pièces a pris de l'importance, en
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particulier dans l'industrie automobile. La fabrication de
pièces de ce type peut comprendre les étapes principales
suivantes:
- le pré-revêtement de tôles d'acier, par immersion à
chaud;
- le détourage ou la découpe pour former des ébauches;
- le chauffage des ébauches dans le but d'obtenir une
alliation du substrat d'acier avec le pré-revêtement, ainsi
qu'une austénitisation de l'acier; et
- le formage à chaud suivi par un refroidissement rapide de
la pièce dans le but d'obtenir des structures essentiellement
martensitiques.
Voir par exemple le brevet US n 6.296.805.
Grâce à un alliation du pré-revêtement avec le substrat
d'acier, qui a pour effet de créer des alliages
intermétalliques avec une température de fusion élevée, les
ébauches qui sont pourvues d'un revêtement de ce type peuvent
être chauffées dans une plage de température dans laquelle il
se produit une austénitisation du substrat métallique,
permettant ainsi un durcissement supplémentaire par trempe.
Des traitements thermiques des ébauches pour réaliser un
alliage intermétallique du revêtement et une austénitisation
du substrat sont le plus fréquemment exécutés dans des fours,
où les ébauches sont déplacées sur des rouleaux. Les cycles
thermiques subis par les ébauches comprennent en premier lieu
une phase de chauffage dont la vitesse dépend de paramètres
tels que l'épaisseur des ébauches, la température du four, la
vitesse de déplacement et la réflectivité du revêtement. Après
cette phase de chauffage, les cycles thermiques comprennent
d'une manière générale une phase de maintien, dont la
température correspond à la température de régulation du four.
On rencontre
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cependant des problèmes avec le fonctionnement du four:
les rouleaux peuvent être encrassés par les dépôts
métalliques qui proviennent du pré-revêtement des
ébauches. Si ces dépôts sont excessifs, il convient de
procéder à une maintenance des rouleaux, et la
productivité décroît.
Les pièces obtenues après le chauffage et un
refroidissement rapide affichent une très grande
résistance mécanique et peuvent être utilisées pour des
applications structurelles, par exemple pour des
applications dans l'industrie automobile. Ces pièces
doivent être fréquemment soudées à d'autres pièces, une
soudabilité élevée est donc requise. Cela signifie que:
- l'opération de soudage devrait être exécutable
dans une plage opérationnelle suffisamment large pour
garantir qu'une dérive éventuelle des paramètres de
soudage nominaux n'ait aucune incidence sur la qualité
de la soudure. Pour un soudage par résistance, qui est
très courant dans l'industrie automobile, une plage de
soudage opérationnelle est définie par la combinaison
de paramètres: l'intensité I du courant de soudage et
la force F de soudage appliquées aux pièces pendant le
soudage, qui constituent deux des paramètres les plus
importants. Une combinaison adéquate de ces paramètres
aide à assurer que l'on n'obtient pas un diamètre de
noyau insuffisant (à cause d'une intensité trop basse
ou d'une force trop faible), et qu'il ne se produit
aucune expulsion lors du soudage; et
- l'opération de soudage devrait aussi être exécutée
de telle sorte que l'on obtienne une résistance
mécanique élevée de la soudure. Cette résistance
mécanique peut être évaluée à l'aide de tests, par
exemple des tests de traction - cisaillement ou des
tests de traction en croix.
Il subsiste un besoin d'aciers revêtus qui peuvent être
facilement utilisés pour préparer des pièces façonnées
par un procédé d'emboutissage. Il subsiste également un
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besoin d'aciers revêtus qui peuvent être utilisés pour
préparer des pièces par un procédé d'emboutissage qui
sont appropriées pour un soudage. Il subsiste aussi un
besoin de traitements pour préparer des aciers revêtus
et des pièces embouties de ce type.
Résumé de l'invention
Les inventeurs ont découvert que certains aciers
revêtus dans lesquels une bande d'acier de base est au
moins partiellement revêtue (que l'on appelle parfois
"pré-revêtue", ce préfixe indiquant qu'une
transformation de la nature du pré-revêtement se
produira pendant le traitement thermique avant
l'emboutissage) sur au moins un côté avec un revêtement
constitué soit d'aluminium, soit d'un alliage
d'aluminium, et où le revêtement présente une épaisseur
définie et est de préférence sensiblement uniforme,
sont facilement formés en pièces mises en forme par
emboutissage après un chauffage et sont facilement
soudées. En outre, les inventeurs ont découvert que le
problème d'encrassement des rouleaux qui est décrit ci-
dessus survient généralement à cause d'un degré
d'alliation intermétallique insuffisant entre le
substrat et le pré-revêtement métallique. En outre, il
a été découvert que l'endroit où les rouleaux sont
encrassés correspond à des zones des ébauches qui sont
en contact avec les rouleaux où l'épaisseur du pré-
revêtement métallique dépasse localement l'épaisseur
moyenne. Sans être lié par une théorie particulière, on
considère que si un pré-revêtement est localement trop
épais, l'alliage intermétallique est insuffisant et le
pré-revêtement fond, encrassant les rouleaux. Donc, les
inventeurs ont découvert que le contrôle de
l'homogénéité de l'épaisseur du pré-revêtement sur la
totalité de la tôle à l'intérieur de tolérances données
constitue un facteur important pour obtenir le degré
souhaité d'alliage intermétallique, permettant ainsi
d'améliorer la résistance à la fusion ultérieure du
revêtement pendant le déplacement sur les rouleaux.
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Les inventeurs ont également découvert qu'une
soudabilité particulièrement bonne de pièces
aluminisées et embouties à chaud est associée à une
succession spéciale de couches de revêtement sur les
pièces, en partant du substrat d'acier vers
l'extérieur.
Les inventeurs ont aussi découvert Qu'une combinaison
spécifique du temps de transfert entre le four de
chauffage et la matrice d'emboutissage, du degré de
déformation pendant l'emboutissage, de la température
d'emboutissage et de la vitesse de refroidissement du
produit pendant l'emboutissage conduit à la fabrication
d'une pièce qui présente une structure martensitique
totalement homogène, et qu'une augmentation de la
ductilité ou de l'absorption d'énergie des pièces après
l'emboutissage est obtenue par une réduction du soufre
en dessous d'une valeur critique, ces deux avantages
étant obtenus avec ou sans le revêtement d'alliage
aluminium/aluminium de l'invention, et avec d'autres
revêtements.
Objet de l'invention
Par conséquent, et au vu de ce qui précède, un objet de
la présente invention consiste à fournir de nouvelles
bandes d'acier pré-revêtues qui peuvent être traitées
facilement dans des ébauches d'emboutissage.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouvelles bandes ou tôles d'acier pré-
revêtues qui peuvent être formées facilement en pièces
par emboutissage.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouvelles tôles d'acier revêtues qui peuvent
être formées facilement en pièces par emboutissage à
chaud.
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Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouveaux procédés pour fabriquer un acier
revêtu de ce type.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouvelles ébauches d'emboutissage qui sont
préparées à partir d'un acier revêtu de ce type.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouveaux procédés pour fabriquer des
ébauches d'emboutissage de ce type.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouvelles pièces embouties qui sont
préparées à partir d'un acier revêtu de ce type.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouveaux procédés pour fabriquer des pièces
embouties de ce type.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouveaux articles manufacturés, tels qu'un
véhicule à moteur, qui contiennent des pièces embouties
de ce type.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouvelles pièces embouties.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouveaux procédés pour fabriquer des pièces
embouties soudées.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouveaux articles manufacturés, tels qu'un
véhicule à moteur, qui contiennent des pièces embouties
soudées de ce type.
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Selon un aspect de la présente invention, il y a un procédé
pour fabriquer un produit de tôle d'acier revêtu et embouti à
chaud, comprenant les étapes suivantes:
(A) chauffer une tôle d'acier pré-revêtue avec de
l'aluminium ou un alliage d'aluminium dans un four
préchauffé à une température et pendant un temps définis
par un diagramme ABCD ayant les coordonnées de temps
définies et de température avec A (3 minutes, 93000), B
(6 minutes, 930 C), C (13 minutes, 880 C) et D (4.5
minutes, 880 C), si l'épaisseur de ladite tôle est
supérieure ou égale à 0,7 mm et inférieure ou égale à
1,5 mm, et par un diagramme EFGH ayant les coordonnées de
temps définies et de température avec E (4 minutes,
940 C), F (8 minutes, 940 C), G (13 minutes, 900 C) et H
(6.5 minutes, 900 C), si l'épaisseur de ladite tôle est
supérieure à 1,5 mm et inférieure ou égale à 3 mm, à une
vitesse de chauffage Vc entre 20 C et 700 C comprise
entre 4 C/seconde et 12 C/seconde, afin d'obtenir une
ébauche chauffée;
(B) transférer ladite ébauche chauffée vers une
matrice; et
(C) emboutir ladite ébauche chauffée dans ladite
matrice pour obtenir ainsi un produit de tôle en acier
embouti à chaud, et
dans lequel ledit produit chauffé est refroidi à une vitesse
moyenne de 50 C/seconde entre la sortie dudit four et
l'arrivée à 400 C, dans lequel le temps écoulé entre la sortie
de ladite ébauche chauffée du four et le commencement dudit
emboutissage n'est pas supérieur à 10 secondes.
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Selon un autre aspect de la présente invention, il y a un
produit embouti en acier revêtu, comprenant:
(a) une bande d'acier de base présentant un
premier côté et un second côté; et
(b) un revêtement sur au moins un dudit premier
côté de ladite bande d'acier de base et dudit second côté
de ladite bande d'acier de base,
dans lequel:
(i) ledit revêtement résulte d'une inter-
diffusion entre ledit acier de base et le pré-
revêtement en aluminium ou en alliage d'aluminium,
(ii) ledit revêtement comprend, en partant de
l'acier de base vers l'extérieur:
(a) une couche d'inter-diffusion,
(b) une couche intermédiaire,
(c) une couche intermétallique, et
(d) une couche superficielle,
dans lequel ledit revêtement présente une épaisseur
supérieure à 30 micromètres, et dans lequel ladite couche (a)
présente une épaisseur inférieure à 15 micromètres, et dans
lequel lesdites couches (c) et (d) sont quasiment continues en
occupant au moins 90 % de leur niveau correspondant auxdites
couches considérées, et dans lequel moins de 10 % de la couche
(c) sont présents à la surface extrême du produit.
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Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouveaux aciers revêtus soudés et de
nouvelles ébauches d'emboutissage soudées.
Un autre objet de la présente invention consiste à
fournir de nouveaux procédé pour fabriquer des aciers
revêtus soudés et des ébauches d'emboutissage soudées
de ce type.
Ces objets, ainsi que d'autres, apparaîtront clairement
à la lecture de la description détaillée qui suit.
Brève description des dessins
La Figure 1 illustre un mode de réalisation préféré
d'une pièce revêtue selon l'invention, après un
traitement thermique et un emboutissage. La succession
de couches du revêtement sur le substrat d'acier
comprend: (a) une couche d'inter-diffusion; (b) une
couche intermédiaire; (c) une couche intermétallique;
et (d) une couche superficielle. Cet arrangement est
particulièrement favorable pour réaliser le soudage
ultérieur de la pièce.
La Figure 2 illustre un revêtement d'un substrat
d'acier après un traitement thermique et un
emboutissage qui ne correspond pas à l'invention. Cette
succession de couches (couche d'inter-diffusion et
couche intermétallique) donne de moins bons résultats
lors d'un soudage par résistance par points.
La Figure 3 illustre une microstructure d'une pièce
d'acier, emboutie à chaud et refroidie dans des
conditions qui n'appartiennent pas à l'invention.
La Figure 4 illustre la microstructure d'une pièce
d'acier, emboutie à chaud et refroidie selon un
ensemble préféré de conditions selon l'invention.
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La Figure 5 illustre l'influence du soufre sur l'angle
de pliage de pièces après un emboutissage à chaud.
La Figure 6 illustre l'influence du soufre sur
l'énergie d'amorçage de la rupture de pièces après un
emboutissage à chaud.
La Figure 7 montre des conditions de température de
four en fonction du temps de séjour total dans le four
pour des tôles ayant une épaisseur totale comprise
entre 0,7-1,5 mm et 1,5-3 mm qui donnent des
revêtements particulièrement favorables pour le
soudage.
Description détaillée des modes de réalisation préférés
Comme cela a été indiqué ci-dessus, la découverte des
inventeurs selon laquelle certains aciers revêtus, dans
lesquels un acier de base est au moins partiellement
pré-revêtu sur au moins un côté avec un revêtement
constitué soit d'aluminium soit d'un alliage
d'aluminium et où le pré-revêtement présente une
épaisseur définie et est sensiblement uniforme, sont
facilement formés en pièces façonnées par emboutissage,
constitue un fondement de l'invention.
Dans le contexte de la présente invention, les termes
"premier côté" (ou "côté 1") et "second côté" (ou "côté
2") de la bande ou de la tôle, etc., de l'acier de base
font référence aux deux grandes surfaces opposées qui
présentent une aire de surface qui est définie par la
longueur et la largeur de la bande d'acier de base. Au
contraire, les bords latéraux de la bande d'acier de
base sont les deux petites surfaces opposées qui
présentent une aire de surface qui est définie par la
longueur et l'épaisseur de la bande. Les bords
supérieur et inférieur de la bande d'acier de base sont
deux petites surfaces opposées qui présentent une aire
de surface qui est définie par la largeur et
l'épaisseur de la bande. Dans la suite, tp désigne
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l'épaisseur du pré-revêtement, à n'importe quel endroit
considéré sur les côtés 1 et 2 d'une tôle ou d'une
ébauche. En particulier, dans le cas de tôles revêtues
sur les deux côtés 1 et 2, tpl désigne l'épaisseur sur
le côté 1, et tp2 désigne l'épaisseur sur le côté 2.
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré,
tp est contrôlé dans une plage précise, exprimée par
(tpminf tpmax), dans le but d'améliorer la résistance à
l'encrassement des rouleaux. L'épaisseur est de
préférence contrôlée, à la fois dans la direction
longitudinale (ou de laminage) de la bande ou de la
tôle, ainsi que dans la direction transversale.
En ce qui concerne le problème d'encrassement des
rouleaux, le contrôle de l'épaisseur du pré-revêtement
sur le côté de la tôle ou de l'ébauche qui est
directement en contact avec les rouleaux est
particulièrement importante. Etant donné que
différentes opérations peuvent suivre l'étape de
revêtement de la tôle d'acier (par exemple, un
revêtement par immersion à chaud qui crée les côtés
revêtus 1 et 2), il est préférable de contrôler
soigneusement le pré-revêtement sur les deux côtés de
la tôle. Par exemple, après toute étape d'enroulement,
de manipulation, de coupe, de poinçonnage, etc., les
côtés 1 et 2 peuvent ne plus être facilement
identifiables. Mais lorsque le contrôle de tp est
effectué sur les deux côtés de la tôle qui a été
revêtue (le premier côté et le second côté), il n'est
pas nécessaire de suivre les côtés 1 et 2 étant donné
qu'aucun des deux côtés n'encrassera le rouleau. En
outre, il n'est pas nécessaire de refendre la tôle pour
obtenir une tôle plus petite préférée qui présente une
homogénéité plus uniforme de l'épaisseur du pré-
revêtement, fournissant ainsi une tôle qui est pré-
revêtue, par exemple par immersion à chaud. En d'autres
termes, on obtient des avantages importants lorsque
l'on contrôle l'épaisseur minimum et maximum du pré-
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revêtement du premier côté (t
tomaxi et l'épaisseur
minimum et maximum du pré-revêtement du second côté
(tprain2 r tpmax9 ) de la tôle ou de l'ébauche d'acier
concernée.
Des aciers revêtus par immersion à chaud sont les
aciers préférés ici. Toutefois, indépendamment du
procédé de revêtement, l'épaisseur du pré-revêtement
sur un côté ou sur les deux côtés de la tôle peut être
mesurée et surveillée de façon continue sur une ligne
de revêtement directement après l'opération de
revêtement. Ceci peut être réalisé en employant des
dispositifs connus en soi, tels que des jauges
d'épaisseur basées sur une absorption de rayons X. A
chaque instant, la mesure de l'épaisseur en un endroit
donné peut être exécutée par exemple sur une surface de
quelques centaines de mm2, ceci représentant les
dimensions de la zone irradiée par des rayons X.
Dans un mode de réalisation préféré, une pluralité de
dispositifs de ce type sont positionnés à différentes
distances dans la direction transversale de la bande
dans le but d'obtenir un profil de l'épaisseur du pré-
revêtement le long de la largeur de la bande.
Les inventeurs ont découvert que la résistance à la
pollution ou à l'encrassement des rouleaux dans les
fours est améliorée lorsque les épaisseurs minimum et
maximum respectivement d'au moins un des premier côté
(tpridni, tipmaxl) et second côté tprnin2 r tpmax2 )
sont
respectivement égales à 20 et 33 micromètres (un
micromètre est identique à un micron et est l'unité
métrique de longueur qui est égale à un millionième de
mètre). En d'autres termes, dans un mode de réalisation
préféré, à chaque endroit sur au moins une face de la
tôle ou de l'ébauche, l'épaisseur tp du pré-revêtement
est de préférence comprise dans la gamme de 20 à
33 micromètres d'épaisseur, comprenant 21, 22, 23, 24,
25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 et 32 micromètres ainsi que
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toutes les gammes et sous-gammes entre ces valeurs, et
comprenant tous les nombres entre chaque valeur citée
comme s'ils étaient écrits dans leur entièreté (par
exemple, 22,34 micromètres). Pour un revêtement par
immersion à chaud, un contrôle précis de cette plage
d'épaisseur de pré-revêtement peut être réalisé sur une
ligne opérationnelle en utilisant par exemple un
système de buses qui soufflent du gaz après le
revêtement, par exemple après la sortie de la bande ou
de la tôle d'un bain, et par la planéité de la bande.
Le nombre, la géométrie et la position des buses, ainsi
que les débits font partie des paramètres principaux
pour une commande précise de l'épaisseur tp. Sur la base
de la présente divulgation, l'homme du métier peut
commander l'épaisseur du pré-revêtement comme cela est
décrit ici sans travail excessif.
L'invention fait référence à des bandes produites dans
des conditions industrielles, c'est-à-dire où le
contrôle de l'épaisseur du pré-revêtement est effectif
sur une grande surface de bande, c'est-à-dire qui
présente une longueur supérieure à 100 m, et une
largeur supérieure à 600 mm. De cette manière, des
ébauches coupées ou refendues à partir de ces bandes
affichent une très grande homogénéité de l'épaisseur du
pré-revêtement, et les réglages du traitement de
chauffage dans le four ne doivent pas être modifiés
pour être adaptés à d'éventuelles variations de cette
épaisseur.
Sans être liés par une théorie de fonctionnement
particulière, les inventeurs croient que plusieurs des
avantages de l'invention sont associés à cette plage
d'épaisseur du pré-revêtement, par exemple de la façon
suivante:
pour une épaisseur de pré-revêtement inférieure à
20 micromètres, la couche alliée qui est formée pendant
le chauffage de l'ébauche présente une rugosité
insuffisante. Donc, l'adhérence d'une peinture
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ultérieure est faible sur cette surface, et la
résistance à la corrosion est réduite;
si l'épaisseur du pré-revêtement est supérieure à
33 micromètres en un endroit donné sur une tôle, le
risque est que la différence d'épaisseur entre cet
endroit et tout autre endroit où le pré-revêtement est
plus mince devienne trop importante. Les réglages du
traitement de chauffage dans le four peuvent être
adaptés à la valeur plus mince du pré-revêtement, mais
pas à la valeur plus épaisse. Donc, la réaction
d'alliage qui forme l'alliage intermétallique peut se
produire à un degré insuffisant étant donné que la
distance de diffusion moyenne des éléments dans le pré-
revêtement devient nettement inférieure à la valeur
locale de l'épaisseur du pré-revêtement. Par
conséquent, la formation de l'alliage deviendra
nettement plus difficile dans la partie externe (ou
superficielle), en particulier dans le cas d'une
vitesse de chauffage élevée.
Donc, dans un premier mode de réalisation, la présente
invention fournit des bandes d'acier revêtues, qui
comprennent une bande d'acier de base et un pré-
revêtement constitué d'aluminium ou d'un alliage
d'aluminium sur au moins une¨partie- d'un 'côté. de-la
bande de l'acier de base_ Dans de nombreuses
applications, la bande d'acier de base peut comprendre
n'importe quel type d'acier qui peut être revêtu soit
avec de l'aluminium soit avec un alliage d'aluminium.
Toutefois, pour certaines applications, telles qu'une
pièce structurelle d'une automobile, il est préférable
que la bande d'acier de base comprenne un acier à ultra
haute résistance (UHSS). Dans ce cas, il est
particulièrement préférable que la bande d'acier de
base comprenne un acier au bore.
Les inventeurs ont également découvert que l'on obtient
de bons résultats de soudage si le revêtement obtenu
sur les pièces formées à partir d'ébauches qui ont subi
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un alliage intermétallique, une austénitisation et un
emboutissage à chaud, affichent des caractéristiques
distinctives. 11 convient de souligner le fait que ce
revêtement est différent du pré-revêtement initial,
étant donné que le traitement thermique entraîne une
réaction d'alliage avec le substrat d'acier qui modifie
à la fois la nature physico-chimique et la géométrie du
pré-revêtement. A cet égard, les inventeurs ont
découvert qu'une soudabilité particulièrement bonne de
pièces aluminisées et embouties à chaud est associée à
la succession suivante de couches de revêtement sur les
pièces, en partant du substrat d'acier vers
l'extérieur:
(a) une couche d'inter-diffusion,
- (b) une couche intermédiaire,
(c) une couche intermétallique, et
(d) une couche superficielle.
Voir, par exemple, la Figure 1. Dans un mode de
réalisation préféré, ces couches sont les suivantes:
(a) une couche d'inter-diffusion, présentant de
préférence une dureté moyenne (par exemple, HV50g
compris entre 290 et 410, HV50g désignant la dureté
mesurée sous une charge de 50 grammes). Dans un mode de
réalisation préféré, cette couche présente la
composition suivante, en poids: 86 % à 95 % de Fe, 4 %
à 10 % d'Al, et 0 % à 5 % de Si.
(b) une couche intermédiaire (HV50g égal à environ
900 à 1000, par exemple, 10 %). Dans un mode de
réalisation préféré, cette couche présente la
composition suivante, en poids: 39 % à 47 % de Fe, 53 %
à 61 % d'Al, 0 % à 2 % de Si.
(c) une couche intermétallique (qui présente une
dureté HV50g d'environ 580 à 650, par exemple, 10 %).
Dans un mode de réalisation préféré, cette couche
présente la composition suivante, en poids: 62 % à 67 %
de Fe, 30 % à 34 % d'Al, et 2 % à 6 % de Si.
(d) une couche superficielle (HV50g égal à environ
900 à 1000, par exemple, 10 %). Dans un mode de
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réalisation préféré, cette couche présente la
composition suivante, en poids: 39 % à 47 % de Fe, 53 %
à 61 % d'Al, et 0 % à 2 % de Si.
Dans un mode de réalisation préféré, l'épaisseur totale
des couches (a) à (d) est supérieure à 30 micromètres.
Dans un autre mode de réalisation préféré, l'épaisseur
de la couche (a) est inférieure à 15 micromètres, par
exemple 14, 12, 10, 8, 6, 4, 2 ou 1 micromètre(s), et
tous les nombres entiers et toutes les gammes et sous-
gammes entre des valeurs, et y compris tous les nombres
entre chaque valeur citée comme s'ils étaient écrits
dans leur entièreté (par exemple, 13,84 micromètres).
Les inventeurs ont découvert que l'on peut
particulièrement obtenir une soudabilité élevée lorsque
les couches (c) et (d) sont essentiellement continues
(c'est-à-dire qu'elles occupent au moins 90 % du niveau
correspondant à la couche considérée), et lorsque moins
de 10 % de la couche (c) sont présents à la surface
extrême de la pièce. Sans être lié par une théorie, on
considère que cette disposition particulière des
couches, en particulier de la couche (a) et des couches
(c) et (d), influence, la .resistivité-du-revêtément à-la
fois à cause de leurs caractéristiques intrinsèques et
sous l'effet de la rugosité. Donc, un écoulement de
courant, une génération de chaleur aux surfaces et une
formation de noyau lors de l'étape initiale d'un
soudage par points sont affectés par cet arrangement
particulier.
Cette disposition favorable des couches est obtenue par
exemple lorsque des tôles d'acier pré-revêtues avec de
l'aluminium ou un alliage d'aluminium, dont la plage
d'épaisseur est par exemple comprise entre 0,7 mm et
3 mm, sont chauffées pendant 3 à 13 minutes (ce temps
de séjour comprend la phase de chauffage et le temps de
maintien) dans un four qui est chauffé à une
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température de 880 C à 940 C. D'autres conditions qui
conduisent à ces dispositions favorables des couches
sont présentées dans la Figure 7.
Pour des tôles d'une épaisseur totale supérieure ou
égale à 0,7 mm, et inférieure ou égale à 1,5 mm, les
conditions de traitement préférées (la température du
four et le temps de séjour total dans le four) sont
illustrées dans la Figure 7 par des conditions qui se
situent à l'intérieur des limites du diagramme "ABCD".
Pour des tôles d'une épaisseur totale supérieure à
1,5 mm et inférieure ou égale à 3 mm, les conditions de
traitement préférées (la température du four et le
temps de séjour total dans le four) sont illustrées
dans la Figure 7 par le diagramme "EFGH".
La vitesse de chauffage V, est comprise entre
4 C/seconde et 12 C/seconde pour produire une
disposition favorable des couches alliées. A cet égard,
cette "vitesse de chauffage" reflète l'augmentation de
température qui est subie par l'acier pré-revêtu
lorsqu'il est situé dans le four préchauffé. V, est
définie comme la vitesse de chauffage moyenne entre
20 C et 700 C. Les- inventeurs ont découvert que la
commande de V, dans cette plage précise constitue un
facteur clé parce qu'il commande directement la nature
et la morphologie des couches alliées qui sont formées.
On insiste ici sur le fait que la vitesse de chauffage
V, est différente de la vitesse de chauffage moyenne,
qui est la vitesse de chauffage entre la température
ambiante et la température du four. Les vitesses de
6 C/seconde, 7 C/seconde, 8 C/seconde, 9 C/seconde,
10 C/seconde et 11 C/seconde sont inclues comme le sont
tous les nombres et toutes les gammes et sous-gammes
entre celles-ci, ainsi que tous les nombres entre
chaque valeur citée comme s'ils étaient écrits dans
leur entièreté (par exemple, 7,7 C). A cet égard,
toutes les conditions spécifiées à l'intérieur de la
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- 16 -
Figure 7 sont incorporés ici à titre de référence. Des
conditions particulièrement préférées sont:
(pour une épaisseur de 0,7 mm à 1,5 mm)
- 930 C, de 3 minutes à 6 minutes;
- 880 C, de 4 minutes 30 secondes à 13 minutes
(pour une épaisseur de 1,5 mm à 3 mm)
- 940 C, de 4 minutes à 8 minutes;
- 900 C, de 6 minutes 30 secondes à 13 minutes
Un avantage spécial est obtenu avec des pré-revêtements
dont l'épaisseur est comprise entre 20 et
33 micromètres, étant donné que cette plage d'épaisseur
donne une disposition favorables des couches, et étant
donné que l'homogénéité de l'épaisseur du pré-
revêtement est associée à une homogénéité du revêtement
qui est formé après le traitement d'alliage.
Les ébauches chauffées sont ensuite transférées vers
une matrice, où elles sont embouties à chaud pour
obtenir une pièce ou un produit, et refroidies à une
vitesse supérieure à 30 C/seconde. La vitesse de
refroidissement est définie ici comme étant la vitesse
moyenne entre la sortie de l'ébauche chauffée du four
et l'arrivée à 400 C.
La bande d'acier de base est revêtue soit avec de
l'aluminium, soit avec un alliage d'aluminium.
Commercialement, l'aluminium pur est connu dans la
technique sous le nom d'aluminium de type 2, alors que
des alliages d'aluminium qui contiennent de 5 % en
poids à 11 % en poids de silicium sont connus dans la
technique sous le nom d'aluminium de type 1. Le
silicium est présent dans le but d'empêcher la
formation d'une couche intermétallique de fer - métal
épaisse qui réduit l'adhérence et la formabilité.
D'autres éléments d'alliage utilisables avec
l'aluminium comprennent ici le fer, entre 2,5 % en
poids et 3 % en poids, et le calcium, entre 15 ppm en
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- 17 -
poids et 30 ppm en poids, y compris des combinaisons de
deux de ceux-ci, ou plus, avec l'aluminium.
Un bain métallique typique pour un revêtement de Al-Si
contient d'une manière générale dans sa composition de
base en poids, de 8 % à 11 % de silicium, de 2 % à 4 %
de fer, le reste étant de l'aluminium ou un alliage
d'aluminium, ainsi que des impuretés inhérentes au
traitement. Une composition typique d'un revêtement de
Al-Si est la suivante: A1-9,3%Si-2,8%Fe. Les
revêtements selon l'invention ne sont toutefois pas
limités à ces compositions.
La bande d'acier de base qui est utilisée ici peut être
n'importe quelle bande qui peut être revêtue en
employant une technique de revêtement conventionnelle.
Par exemple, la bande d'acier de base peut être
n'importe quelle bande laminée à chaud, telle que
celles préparées par le laminage à chaud d'une brame
d'acier (avec ou sans laminage à froid subséquent).
Typiquement, la bande d'acier de base sera stockée et
transportée sous la forme d'une bobine à la fois avant
et après la formation du revêtement.
Un exemple d'un acier préféré pour la = bande, dl.acier-de-
base est un acier qui présente la composition suivante,
en poids:
0,10 % < carbone < 0,5 %
0,5 % < manganèse < 3 %
0,1 % < silicium < 1 %
0,01 % < chrome < 1 %
titane < 0,2 %
aluminium < 0,2 %
phosphore < 0,1 %
soufre < 0,05 %
0,0005 % < bore < 0,010 %,
le reste comprenant, consistant essentiellement en ou
étant constitué de fer et d'impuretés inhérentes au
traitement. L'utilisation d'un acier de ce type apporte
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- 18 -
une très grande résistance mécanique après le
traitement thermique, et le revêtement à base
d'aluminium confère une grande résistance à la
corrosion.
La composition en poids particulièrement préférée de
l'acier dans la bande d'acier de base est la suivante:
0,15 % < carbone < 0,25 %
0,8 % < manganèse < 1,8 %
0,1 % < silicium < 0,35 %
0,01 % < chrome < 0,5 %
titane < 0,1 %
aluminium < 0,1 %
phosphore < 0,1 %
soufre < 0,05 %
0,002 % < bore < 0,005 %,
le reste comprenant, consistant essentiellement en ou
étant constitué de fer et d'impuretés inhérentes au
traitement.
Une bande préférée ici présente une longueur de 100 m
et une largeur de 600 mm. Les épaisseurs préférées sont
comprises entre 0,7 mm et 3 mm.
Encore plus préférablement,- dans- la- composition -en
poids de la tôle, le rapport de poids de la teneur en
titane par rapport à la teneur en azote est supérieur à
3,42, ce que l'on considère comme correspondant à un
niveau auquel le bore n'est plus capable de se combiner
avec l'azote.
Un exemple d'un acier préféré disponible dans le
commerce à utiliser dans la bande d'acier de base est
le 22MnB5.
Du chrome, du manganèse, du bore et du carbone peuvent
être ajoutés dans la composition de l'acier selon
l'invention, pour leur effet sur la trempabilité. En
outre, le carbone permet d'obtenir des caractéristiques
cip,. 02668393 2011-07-15
- 19 -
mécaniques élevées grâce à son effet sur la dureté de
la martensite.
De l'aluminium est introduit dans la composition pour
procéder à la désoxydation à l'état liquide et pour
protéger l'efficacité du bore.
Du titane, dont le rapport de teneur par rapport à la
teneur en azote devrait dépasser 3,42, est introduit
par exemple dans le but d'empêcher la combinaison du
bore avec l'azote, l'azote étant combiné avec le
titane.
Les éléments d'alliage, le Mn, le Cr et le B,
permettent d'obtenir une trempabilité qui permet un
durcissement dans les outils d'emboutissage ou
l'utilisation de fluides de durcissement doux qui
limitent la déformation des pièces au moment du
traitement thermique. En outre, la composition selon
l'invention est optimisée du point de vue de la
soudabilité.
L'acier dans la tôle peut subir un traitement pour la
globularisation des sulfures, qui est exécuté avec du
calcium, qui a pour- effet d'améliorer la résistance à
la fatigue de la tôle.
Comme cela est mentionné ci-dessus, une ultra haute
résistance peut être obtenue avec la tôle d'acier
revêtue et emboutie à chaud selon l'invention. Ce haut
niveau de résistance est parfois associé à une
ductilité limitée. Dans des applications qui
nécessitent une plus grande ductilité, en particulier
lorsqu'une capacité de pliage est requise pour une
pièce ou un produit, les inventeurs ont découvert qu'il
est possible d'obtenir une ductilité accrue si le
soufre est particulièrement contrôlé: lorsque le niveau
de soufre de l'acier de base est inférieur ou égal à
0,002 % (20 ppm), l'angle de pliage peut être supérieur
cip,. 02668393 2011-07-15
- 20 -
à 600, et une ductilité et une résistance à la
formation de criques améliorées sont obtenues sur les
pièces qui ont subi le traitement thermique et
l'emboutissage. Les niveaux préférés comprennent
20 ppm, 18 ppm, 15 ppm, 13 ppm, 10 ppm, 8 ppm, 5 ppm,
2 ppm, etc. de soufre. En fait, cet avantage s'applique
aux aciers en général, et n'est pas limité aux aciers
revêtus ni aux aciers revêtus avec des revêtements
constitués d'Al ou d'alliages d'Al. Sans être liés par
une théorie particulière, lorsqu'ils ont analysé les
causes d'une défaillance prématurée de certaines pièces
lors d'opérations de pliage, les inventeurs ont observé
qu'une défaillance était amorcée sur des inclusions de
sulfures. On considère donc que des décohésions entre
les inclusions et la matrice martensitique ou bainito-
martensitique agissent comme des facteurs de
concentration de contraintes et déclenchent une
propagation de fissure supplémentaire en mode ductile.
L'invention concerne également un procédé pour produire
une pièce en partant d'une tôle revêtue selon
l'invention, qui est ensuite découpée pour former une
ébauche et, après la mise en forme, le revêtement de
l'ébauche est soumis à une augmentation de la
température à une vitesse supérieure à 4 C/seconde,
mais inférieure à 12 C/seconde. La vitesse de chauffage
V, est définie comme la vitesse moyenne entre 20 C et
700 C.
L'invention concerne également l'utilisation d'une tôle
d'acier laminée à chaud qui peut ensuite être laminée à
froid et revêtue, pour former des pièces structurelles
et/ou anti-intrusion ou de sous-structure pour un
véhicule à moteur terrestre, tel que par exemple, une
poutre de pare-chocs, un renfort de portière, un rayon
de roue, etc.
La tôle selon l'invention décrite ci-dessus peut
provenir, en raison de son traitement, d'un laminoir à
CA 02668393 2011-07-15
- 21 -
chaud, et éventuellement peut être re-laminée à froid
une nouvelle fois en fonction de l'épaisseur finale
souhaitée. Elle est ensuite revêtue avec un revêtement
à base d'aluminium, par exemple par immersion dans un
bain contenant, en plus de la source ou de l'alliage
d'aluminium, par exemple de 8 % à 11 % de silicium et
de 2 % à 4 % de fer, la tôle présentant une grande
résistance mécanique après le traitement thermique et
une grande résistance à la corrosion, ainsi qu'une
bonne capacité pour des opérations de peinture et de
collage.
Le revêtement est de préférence contrôlé selon la
manière décrite ci-dessus, et a en particulier pour
fonction de protéger la tôle de base contre la
corrosion dans différentes conditions. Le traitement
thermique qui est appliqué au moment du procédé de
formage à chaud ou après le formage permet d'obtenir de
hautes caractéristiques mécaniques qui peuvent dépasser
1500 MPa pour la résistance mécanique et 1200 MPa pour
la limite d'élasticité. Les caractéristiques mécaniques
finales sont réglables et dépendent en particulier de
la fraction de martensite de la structure, de la teneur
en carbone de l'acier et du traitement thermique. Au
moment où le¨tradtement= thermique est exécuté = sur une
pièce finie ou au moment du procédé de façonnage à
chaud, le revêtement forme une couche qui présente une
résistance substantielle à l'abrasion, à l'usure, à la
fatigue, aux chocs ainsi qu'une bonne résistance à la
corrosion et une bonne capacité pour des opérations de
peinture et de collage. Le revêtement permet d'éviter
différentes opérations de préparation de surface qui
sont nécessaires pour exécuter un traitement thermique
sur des tôles d'acier dépourvues de revêtement.
La tôle d'acier peut être pré-revêtue par immersion,
après un décapage, dans un bain d'aluminium qui
contient par exemple uniquement de l'aluminium, ou soit
de l'aluminium et de 8 % à 11 % de silicium et de 2 % à
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- 22 -
4 % de fer, ou seulement de 2 % à 4 % de fer, voire
même dans un bain d'aluminium qui contient de
préférence de 9 % à 10 % de silicium et de 2 % à 3,5 %
de fer. L'aluminium peut être de l'aluminium pur ou un
alliage d'aluminium.
Dans un exemple de mise en uvre d'un revêtement de la
tôle par immersion dans un bain de métal contenant un
alliage d'aluminium comprenant une proportion
d'approximativement 90 % d'aluminium, la couche de
revêtement comprend une première couche d'alliage qui
est en contact avec la surface de l'acier. Cette
couche, qui est directement en contact avec la surface
de la tôle, est fortement alliée avec du fer.
Une deuxième couche de revêtement, au-dessus de la
première, contient approximativement 90 % d'aluminium
et peut contenir du silicium ainsi qu'une petite
quantité de fer, en fonction de la composition du bain.
La première couche d'alliage peut se fissurer lorsque
la tôle est soumise à des déformations importantes
pendant des opérations de formage à froid lors de la
fabrication de pièces.
Selon l'invention, après le formage de la pièce, le
revêtement est soumis à une augmentation de la
température à une vitesse supérieure à 4 C/seconde.
Cette augmentation de la température permet une
refusion rapide de l'aluminium qui remplit les fissures
générées par l'opération de façonnage de la pièce.
Au moment du traitement thermique, le revêtement de
base, constitué d'aluminium par exemple, est transformé
en une couche alliée avec du fer et qui comprend
différentes phases en fonction du traitement thermique,
et qui présente une dureté considérable qui peut
dépasser 600 HV50g.
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- 23 -
Un autre avantage de l'invention réside dans le fait
que la diffusion du fer dans le revêtement est amorcée
à une température élevée. On obtiendra donc une
meilleure cohésion entre le revêtement et l'acier dans
la tôle. Sous une autre forme de l'invention, le
traitement thermique peut être exécuté localement, dans
des zones fortement déformées.
Selon l'invention, la tôle, à l'état brut en bobine ou
en feuille, dont l'épaisseur peut être comprise entre
0,25 mm et 15 mm, présente de bonnes propriétés de
formage et une bonne résistance à la corrosion, ainsi
qu'une bonne capacité pour des opérations de peinture
et de collage. De préférence, la tôle ou l'ébauche
d'acier présente une épaisseur qui est inférieure à
3 mm étant donné que les vitesses de refroidissement
qui peuvent être atteintes après la trempe sont élevées
et aident à obtenir des structures martensitiques.
La tôle d'acier, un produit revêtu, présente une
résistance substantielle à la corrosion à l'état brut,
pendant les traitements de formage et thermique ainsi
que pendant l'utilisation de la pièce finie.
La présence du revêtement au moment' = du traitement
thermique des pièces permet d'empêcher toute
décarburation du métal de base ainsi que toute
oxydation. Ceci constitue un avantage indéniable, en
particulier dans le cas d'un formage à chaud. En outre,
le chauffage de la pièce traitée ne nécessite pas
l'emploi d'un four à atmosphère contrôlée pour empêcher
une décarburation.
Le traitement thermique du métal dans la tôle comprend
le chauffage à une température comprise dans la gamme
de Acl, température de début de la transformation
austénitique lors du chauffage, par exemple 750 C et
1200 C, dans un four, pendant une période qui dépend de
la température à atteindre et de l'épaisseur de
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- 24 -
l'ébauche. La composition est optimisée de manière à
limiter le grossissement des grains au moment du
traitement thermique. Si la structure recherchée est
complètement martensitique, la température de maintien
devrait être supérieure à Ac3, par exemple 840 C,
c'est-à-dire la température de la transformation
austénitique complète. Le maintien de la température
devrait être suivi par un refroidissement déterminé en
fonction de la structure finale recherchée.
Les ébauches sont ensuite transférées du four à une
presse d'emboutissage. Lorsque le temps écoulé entre la
sortie des ébauches du four et l'introduction dans la
presse d'emboutissage est supérieur à 10 secondes, une
transformation partielle à partir de l'austénite est
susceptible de se produire: si l'on souhaite obtenir
une structure martensitique complète, le temps de
transfert entre la sortie du four et l'emboutissage
devra être inférieur à 10 secondes.
Les inventeurs ont également découvert que l'obtention
d'une structure martensitique est associée au degré de
déformation lors de l'opération de formage à chaud: la
quantité de déformation locale qui est provoquée par le
formage à chaud est étroitement liée à la forme, de la
pièce ou du produit et peut dépasser localement 40 % ou
50 % dans certaines régions particulières. Les
inventeurs ont constaté que, lorsqu'une déformation
locale dépasse une valeur critique de 10 %, la vitesse
de refroidissement doit être suffisamment élevée pour
obtenir une transformation martensitique totale.
Autrement, une transformation bainitique peut se
produire en une quantité significative au lieu de la
transformation martensitique. Donc, le risque est
qu'une structure hétérogène apparaisse sur des pièces
qui ont une forme complexe avec certains endroits qui
sont plus déformés que d'autres. A cet égard, les
inventeurs ont mis en évidence que, aux endroits des
pièces où la déformation due au formage est supérieure
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- 25 -
à 10 %, la vitesse de refroidissement doit être
augmentée au-delà de 50 C/seconde dans le but de
garantir une transformation martensitique complète. La
vitesse de refroidissement est définie comme étant la
vitesse moyenne entre la sortie de l'ébauche chauffée
du four jusqu'à 400 C.
Mais on peut également chercher à obtenir des
structures ferrito-bainitiques ou
ferrito-
martensitiques, par un chauffage à une température
comprise dans la gamme entre Acl, par exemple 750 C, et
Ac3, par exemple 840 C, suivi par un refroidissement
approprié. Selon le niveau de résistance à atteindre et
le traitement thermique appliqué, un ou plusieurs de
ces constituants est/sont présent(s) dans des
proportions variables.
La modulation des paramètres du traitement thermique
permet d'obtenir, avec une composition donnée,
différents niveaux de résistance de la tôle chaude et
froide en fonction de l'épaisseur envisagée. Pour les
niveaux de résistance les plus élevés, la structure est
composée essentiellement de martensite.
L'acier est particulièrement approprié- pour la
production de pièces structurelles et anti-intrusion.
L'invention permet donc de produire une tôle d'acier
laminée à chaud ou à froid d'une épaisseur souhaitée,
revêtue, qui offre des possibilités de formage étendues
et qui, après un traitement thermique exécuté sur la
pièce finie, permet d'obtenir une résistance mécanique
qui est supérieure à 1000 MPa, une
résistance
substantielle aux chocs, à la fatigue, à l'abrasion et
à l'usure, tout en conservant une bonne résistance à la
corrosion ainsi qu'une bonne capacité pour des
opérations de soudage, de peinture et de collage.
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La présente invention va maintenant être décrite de
façon plus détaillée au moyen de plusieurs modes de
réalisation illustratifs sans aucun
caractère
limitatif.
Exemples
Exemple 1
Dans un premier exemple de mise en application, une
tôle d'acier laminée à froid de 1,9 mm d'épaisseur,
contenant en poids 0,23 % de carbone, 1,25 % de
manganèse, 0,017 % de phosphore, 0,002 % de soufre,
0,27 % de silicium, 0,062 % d'aluminium, 0,021 % de
cuivre, 0,019 % de nickel, 0,208 % de chrome, 0,005 %
d'azote, 0,038 % de titane, 0,004 % de bore et 0,003 %
de calcium, a été pré-revêtue avec un alliage à base
d'aluminium présentant une composition de 9,3 % de
silicium et 2,8 % de fer, le reste étant de l'aluminium
et des impuretés inévitables. Selon les conditions de
fabrication, à savoir les réglages des dispositifs de
soufflage sur la ligne opérationnelle, des tôles de
120 m de long et de 650 mm de large présentant des
plage d'épaisseur variables ont été produites.
- Tôle A (selon l'invention): l'épaisseur tp, et tp2 sur
chaque côté .de la tôle ¨a, été -contrôlée de manière à-se
trouver à l'intérieur de la plage de (20-33)
micromètres, à chaque endroit des deux faces de la
tôle, à la fois dans la direction longitudinale (ou de
laminage) et dans la direction transversale. La mesure
a été exécutée de façon continue en employant des
jauges d'épaisseur basées sur une émission de rayons X.
A chaque instant, le champ de mesure de chaque jauge
était une zone circulaire d'environ 20 mm de rayon. Les
tôles ont ensuite été coupées pour former des ébauches
de 1,2 x 0,5 m2 de dimensions totales.
- Tôle B (référence): sur ces tôles, l'épaisseur du
pré-revêtement présentait une plus grande variabilité
étant donné que l'épaisseur tpl et tp2 sur les deux côtés
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de la tôle était comprise dans la plage de (30-45)
micromètres. Les ébauches coupées à partir de ces tôles
présentaient la même épaisseur de pré-revêtement.
Les ébauches ont alors été soumises à un chauffage dans
un four à T = 920 C. Le temps de chauffage était de
3 minutes, avec 4 minutes de temps de maintien. La
microstructure est alors complètement austénitique. Les
ébauches ont ensuite été transférées du four à une
presse d'emboutissage. Lorsque le temps écoulé entre la
sortie des ébauches du four et le transfert dans la
presse d'emboutissage est supérieur à 10 secondes, une
transformation partielle de l'austénite est susceptible
de se produire, réduisant ainsi la résistance mécanique
de la pièce emboutie.
Les ébauches ont été directement refroidies sans
emboutissage à chaud dans le but d'apprécier
l'éventuelle refusion du revêtement.
Dans la série A, aucune fusion du pré-revêtement n'a
été constatée. L'alliation intermétallique entre le
pré-revêtement et le substrat d'acier s'est réalisée
complètement.
Dans la série B, le pré-revêtement a principalement
fait l'objet d'un alliage, mais quelques traces de
refusion ont été observées, en particulier aux endroits
auparavant plus épais du pré-revêtement. Cette refusion
partielle du pré-revêtement d'aluminium contribue à
l'encrassement progressif des rouleaux dans le four.
Les tôles selon l'invention ne contribuent pas à cette
accumulation progressive sur les rouleaux.
Exemple 2
i) Conditions selon l'invention: dans un deuxième
exemple de mise en application, une tôle d'acier
laminée à froid de 1,2 mm d'épaisseur, 120 m de long et
650 mm de large, présentant la même composition et
ab,. 02668393 2011-07-15
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comportant le même revêtement que dans l'exemple 1, a
été fabriquée. Les tôles ont ensuite été coupées pour
former des ébauches qui ont été chauffées à 920 C
pendant 6 minutes, cette durée incluant la phase de
chauffage et le temps de maintien. La vitesse de
chauffage V, entre 20 C et 700 C était de 10 C/seconde.
Les ébauches ont finalement été embouties et trempées
dans le but d'obtenir des structures complètement
martensitiques.
Les pièces obtenues après l'emboutissage à chaud sont
recouvertes par un revêtement, de 40 micromètres
d'épaisseur, illustré dans la Figure 1, qui présente
une structure à quatre couches. En partant du substrat
d'acier, les couches sont les suivantes:
(a) une couche d'inter-diffusion ou une couche
intermétallique de 17 micromètres d'épaisseur. Cette
couche est elle-même composée de deux sous-couches. La
dureté HV50g est comprise dans la gamme de 295 à 407,
et la composition moyenne est la suivante: 90 % de Fe,
7% d'Al et 3 % de Si.
(b) une couche intermédiaire, qui apparaît plus
foncée, de 8 micromètres d'épaisseur. Cette couche
présente une dureté de 940 HV50g et une composition
moyenne, en poids de 43 % de Fe, 57 % d'Al et 1 % de
Si.
(c) une couche intermétallique qui apparaît comme
une phase pâle, de 8 micromètres d'épaisseur, affichant
une dureté de 610 HV50g, une composition moyenne de
65 % de Fe, 31 % d'Al et 4 % de Si.
(d) une couche superficielle plus foncée, de 7 pm
d'épaisseur, d'une dureté de 950 HV50g et présentant
une composition moyenne de 45 % de Fe, 54 % d'Al et 1 %
de Si.
Les couches (c) et (d) sont quasiment continues, c'est-
à-dire qu'elles occupent au moins 90 % du niveau
correspondant à la couche considérée. En particulier,
la couche (c) n'atteint pas l'extrême surface, excepté
ab,. 02668393 2011-07-15
- 29 -
très exceptionnellement. De toutes manières, cette
couche (c) occupe moins de 10 % de l'extrême surface.
ii) Conditions de référence: d'autre part, des
ébauches présentant le même matériau de base et des
pièces pré-traitées ont été chauffées au four dans des
conditions différentes. Les ébauches ont été chauffées
à 950 C pendant 7 minutes, cette durée incluant la
phase de chauffage. La vitesse de chauffage V, était de
11 C/seconde. Ces conditions correspondent à un degré
d'alliation qui est plus important que dans les
conditions (i):
dans ce revêtement, la couche intermétallique pâle
(c) n'est pas continue et apparaît comme étant
dispersée à l'intérieur du revêtement. Environ 50 % de
cette couche sont présents à la surface extrême de la
pièce. En outre, la couche d'inter-diffusion de
10 micromètres d'épaisseur en contact avec le substrat
d'acier est plus mince que dans le cas précédent de la
Figure 1.
Un soudage par résistance par points a été exécuté dans
les deux situations i) et ii):
(i): revêtement avec des couches (c) et (d)
quasiment continues, la couche (c) occupant moins de
10 % de la surface extrême;
(ii): revêtement avec des couches mélangées et
discontinues, la couche (c) occupant plus de 10 % de la
surface extrême.
Le soudage par résistance par points a été exécuté en
superposant deux pièces et en les assemblant dans les
conditions suivantes:
effort de compression et effort de soudage: 4000 N
- temps de compression: 50 périodes
temps de soudage et de maintien: 18 périodes
respectivement
apµ 02668393 2011-07-15
- 30 -
Dans chaque condition, la plage d'intensité appropriée
a été déterminée pour obtenir:
- aucune projection pendant le soudage
- une taille de noyau acceptable
Pour la condition i), la plage de soudabilité, exprimée
en termes d'intensité de courant, est de 1,4 kA. Pour
la condition ii), la plage de soudabilité est
extrêmement petite.
On peut donc voir que le revêtement selon l'invention
donne des résultats nettement plus satisfaisants.
Exemple 3
Dans un troisième exemple de mise en application, une
tôle d'acier laminée à froid de l'exemple 1 a été
coupée pour former des ébauches de 500 x 500 mm2 qui ont
été chauffées à 920 C pendant 6 minutes, et ensuite
embouties à chaud et refroidies dans des outils, dans
des conditions telles que deux vitesses de
refroidissement différentes ont été obtenues:
(A): vitesse de refroidissement: VA = 30 C/seconde
(B): vitesse de refroidissement: VB = 60 C/seconde
A cause de- la. =forme des-pièces-, .differents niveaux de
déformation c ont été créés pendant l'emboutissage à
chaud. En particulier, certaines zones largement
déformées affichent des degrés de déformation
supérieurs à 30 %.
Comme cela est illustré dans la Figure 3, des
observations métallographiques révèlent que lorsque
c > 10 %, il se produit une transformation bainitique
ou ferritique partielle sur des pièces refroidies avec
VA = 30 C/seconde, principalement sur des anciens joints
de grains austénitiques. D'autre part, les pièces
refroidies avec VB = 60 C/seconde affichent une
microstructure complètement martensitique, comme cela
est illustré dans la Figure 4. Les dernières structures
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affichent une résistance mécanique supérieure et une
grande homogénéité dans le cas d'une sollicitation
mécanique.
Donc, même dans des produits ou des pièces dans
lesquel(le)s la déformation est supérieure à 10 %,
l'application d'un refroidissement selon l'invention
garantit une homogénéité micro-structurelle et
mécanique.
Exemple 4
Dans un quatrième exemple de mise en application, des
pièces coulées en acier contenant différentes teneurs
en soufre ont été élaborées. Ces aciers ont en outre
été laminés à chaud et ensuite laminés à froid pour
former des tôles de 2,2 mm d'épaisseur. La teneur en
soufre varie de 11 ppm (0,0011 %) à 59 ppm (0,006 %) en
poids. A part le soufre, les compositions de ces
différentes pièces coulées en acier comprennent, en
poids: 0,24 % de carbone, 1,17 % de manganèse, 0,01 %
de phosphore, 0,25 % de silicium, 0,045 % d'aluminium,
0,01 % de cuivre, 0,02 % de nickel, 0,2 % de chrome,
0,04 % de titane, 0,003 % de bore et 0,002 % de
calcium, le reste étant du fer et des impuretés
inévitables.
Ces tôles ont été pré-revêtues avec un alliage à base
d'aluminium dont la composition comprenait 9,3 % de
silicium et 2,8 % de fer, le reste étant de l'aluminium
et des impuretés inévitables.
Les tôles ont ensuite été coupées pour former des
ébauches qui ont été chauffées à 950 C pendant 5
minutes, ensuite embouties à chaud et refroidies dans
des outils dans le but d'obtenir une structure
complètement martensitique. La résistance mécanique
dépassait 1450 MPa.
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Des échantillons ont été extraits dans le sens
transversal à la direction de laminage et ont été
soumis à un test de pliage avec des modes de pliage
alternés. Les inventeurs ont mis en évidence le fait
que l'angle de pliage critique (angle à la rupture) est
étroitement associé à la teneur en soufre de l'acier:
lorsque la teneur en soufre est inférieure à 0,002 %,
l'angle de pliage dépasse 60 , ce qui indique une
ductilité et une absorption d'énergie plus élevées.
Des éprouvettes de traction compacte ont aussi été
extraites dans la direction transversale au laminage
dans le but de mesurer la résistance à la déchirure,
c'est-à-dire l'énergie qui est nécessaire pour
l'amorçage ou la propagation d'une fissure existante.
Les résultats, qui sont illustrés dans la Figure 6,
indiquent qu'une énergie d'amorçage supérieure à
18 Joules est obtenue lorsque la teneur en soufre est
inférieure à 0,002 % en poids.
Etant donné que ces qualités de haute résistance et
d'absorption d'énergie et de soudabilité élevées sont
requises dans l'industrie automobile, les pièces ou les
produits qui sont fabriqué(e)s selon l'invention seront
utilisé(e)s avantageusement pour des applications- de=ce
type.
Bien que la description ci-dessus soit claire
s'agissant de la compréhension de l'invention, les
termes suivants tels qu'ils sont utilisés dans la liste
ci-dessous de modes de réalisation préférés et de
revendications présentent les significations indiquées
ci-dessus dans le but d'éviter toute confusion.
Pré-revêtement - le matériau (Al ou un alliage d'Al)
qui est déposé ou appliqué sur au moins une partie de
la bande, tôle, etc. d'acier de base pour former un
composite de pré-revêtement acier de base, le composite
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n'ayant pas été soumis à une réaction d'alliation entre
le matériau d'Al ou d'alliage d'Al, et l'acier de base.
Alliage - une réaction entre le pré-revêtement et
l'acier de base, pour produire au moins une couche
intermédiaire dont la composition est différente à la
fois de celle de l'acier de base et de celle du pré-
revêtement. La réaction d'alliation se produit pendant
le traitement thermique qui précède immédiatement
l'emboutissage à chaud. La réaction d'alliation affecte
l'épaisseur totale du pré-revêtement. Dans un mode de
réalisation particulièrement préféré, la réaction
d'alliation forme les couches suivantes: (a) d'inter-
diffusion, (b) intermédiaire, (c) intermétallique et
(d) superficielle, comme cela est décrit ci-dessus.
Acier pré-revêtu - le composite de pré-revêtement/acier
de base, qui n'a pas été soumis à une réaction
d'alliation entre le matériau du revêtement et l'acier
de base.
Revêtement - le pré-revêtement après qu'il a été soumis
à une réaction d'alliation entre le pré-revêtement et
l'acier de base. Dans un mode de réalisation
particulièrement préféré, le revêtement comprend les
couches (a) d'inter-diffusion, (b) intermédiaire, (c)
intermétallique et (d) superficielle décrites ci-
dessus.
Acier ou produit revêtu - l'acier ou le produit pré-
revêtu qui a été soumis à une réaction d'alliage entre
le pré-revêtement et l'acier de base. Dans un mode de
réalisation particulièrement préféré, l'acier revêtu
est une bande, tôle, etc. d'acier de base qui est
pourvue d'un revêtement selon l'invention qui comprend
les couches (a) d'inter-diffusion, (b) intermédiaire,
(c) intermétallique et (d) superficielle décrites ci-
dessus.
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Ebauche - une forme coupée à partir d'une bande.
Produit - Une ébauche emboutie.
Donc, la présente invention fournit, entre autres, les
modes de réalisation préférés suivants:
1. Procédé pour fabriquer un produit de tôle
d'acier revêtu et embouti à chaud, comprenant les
étapes suivantes:
(A) chauffer une tôle d'acier pré-revêtue
avec de l'aluminium ou un alliage d'aluminium dans un
four préchauffé à une température et pendant un temps
définis par le diagramme ABCD montré dans la Figure 7
si l'épaisseur de ladite tôle est supérieure ou égale à
0,7 mm et inférieure ou égale à 1,5 mm, et par le
diagramme EFGH montré dans la Figure 7 si l'épaisseur
de ladite tôle est supérieure à 1,5 mm et inférieure ou
égale à 3 mm, à une vitesse de chauffage Vo entre 20 C
et 700 C comprise entre 4 C/seconde et 12 C/seconde,
afin d'obtenir une ébauche chauffée;
(B) transférer ladite ébauche chauffée vers
une matrice; et
(C) emboutir ladite ébauche chauffée dans
ladite matrice-pour¨obtenir ainsi.un=produit da tôle en
acier embouti à chaud, et
dans lequel ledit produit chauffé est refroidi
à une vitesse moyenne de 30 C/seconde entre la sortie
dudit four et l'arrivée à 400 C.
2. Procédé pour fabriquer un produit de tôle
d'acier revêtu embouti à chaud selon le mode de
réalisation 1, dans lequel le temps écoulé entre la
sortie de ladite ébauche chauffée du four et le
commencement dudit emboutissage n'est pas supérieur à
10 secondes, et
dans lequel ladite ébauche chauffée est déformée à un
degré supérieur à 10 % pendant ledit emboutissage, et
ledit produit chauffé est refroidi à une vitesse
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moyenne d'au moins 50 C/seconde entre la sortie dudit
four et l'arrivée à 400 C.
3. Procédé pour fabriquer un produit de tôle
d'acier revêtu embouti à chaud selon le mode de
réalisation 1 ou 2, dans lequel ladite tôle d'acier
pré-revêtue est obtenue par un pré-revêtement par
immersion à chaud d'une bande d'acier qui présente un
premier côté et un second côté avec de l'aluminium ou
un alliage d'aluminium, l'épaisseur du pré-revêtement
sur au moins un dudit premier côté et dudit second côté
de ladite bande étant comprise entre 20 ppm et 33 ppm à
chaque endroit sur au moins un desdits premier et
second côtés de ladite bande; et par la découpe de
ladite bande d'acier pré-revêtue pour obtenir une tôle.
4. Produit embouti en acier revêtu, comprenant:
(a) une bande d'acier de base présentant un premier
côté et un second côté; et
(b) un revêtement sur au moins un dudit premier
côté de ladite bande d'acier de base et dudit second
côté de ladite bande d'acier de base,
dans lequel:
(i) ledit revêtement résulte d'une inter-diffusion
entre ledit acier de base et le pré-revêtement en
aluminium ou en alliage d'aluminium,
(ii) ledit revêtement comprend, en partant de
l'acier de base vers l'extérieur:
(a) une couche d'inter-diffusion,
- (b) une couche intermédiaire,
(c) une couche intermétallique, et
(d) une couche superficielle,
dans lequel ledit revêtement présente une épaisseur
supérieure à 30 micromètres, et dans lequel ladite
couche (a) présente une épaisseur inférieure à
15 micromètres.
5. Produit embouti en acier revêtu selon le mode
de réalisation 4, dans lequel lesdites couches (c) et
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(d) sont quasiment continues en occupant au moins 90 %
de leur niveau correspondant auxdites couches
considérées, et dans lequel moins de 10 % de la couche
(c) sont présents à la surface extrême du produit.
6. Produit embouti en acier revêtu selon le mode
de réalisation 4 ou 5, dans lequel l'acier dans la
bande comprend les éléments suivants, en poids sur la
base du poids total:
0,15 % < carbone < 0,5 %
0,5 % < manganèse < 3 %
0,1 % < silicium < 0,5 %
0,01 % < chrome < 1 %
titane < 0,2 %
aluminium < 0,1 %
phosphore < 0,1 %
soufre < 0,05 %
0,0005 % < bore < 0,08 %,
et comprend en outre du fer et des impuretés inhérentes
au traitement.
7. Produit embouti en acier revêtu selon l'un
quelconque des modes de réalisation 4 à 6, dans lequel
l'acier dans la bande comprend les éléments suivants,
en poids sur la base-du-poids-totali
0,20 % < carbone < 0,5 %
0,8 % < manganèse < 1,5 %
0,1 % < silicium < 0,35 %
0,01 % < chrome < 1 %
titane < 0,1 %
aluminium < 0,1 %
phosphore < 0,05 %
soufre < 0,03 %
0,0005 % < bore < 0,01 %,
et comprend en outre du fer et des impuretés inhérentes
au traitement.
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8. Produit embouti en acier revêtu selon l'un
quelconque des modes de réalisation 4 à 7, dans lequel
l'acier comprend 20 ppm, ou moins, de soufre.
9. Produit embouti en acier revêtu selon l'un
quelconque des modes de réalisation 4 à 8, dans lequel
le rapport du titane et de l'azote dans la tôle
d'acier, en pour cent en poids, est supérieur à 3,42.
10. Produit embouti en acier revêtu selon l'un
quelconque des modes de réalisation 4 à 9, dans lequel
le pré-revêtement en aluminium ou en alliage
d'aluminium comprend de 8 % à 11 % de silicium en
poids, de 2 % à 4 % de fer en poids, le reste étant de
l'aluminium et des impuretés inhérentes au traitement.
11. Véhicule à moteur terrestre comprenant le
produit en acier revêtu traité thermiquement produit
selon l'un quelconque des modes de réalisation 4 à 10.
12. Véhicule à moteur terrestre comprenant le
produit en acier revêtu traité thermiquement produit
selon l'un quelconque des modes de réalisation 1 ou 3.
La description, présentée- ci-dessus- de l'invention
fournit une manière et un procédé pour fabriquer et
utiliser celle-ci de telle sorte que l'homme du métier
soit capable de la fabriquer et de l'utiliser, cette
possibilité étant offerte en particulier par le contenu
des revendications annexées, qui constituent une partie
de la description originale. Telles qu'elles sont
employées ci-dessus, les expressions "sélectionné dans
le groupe comprenant", "choisi parmi" et analogues
comprennent des mélanges des matières spécifiées. Des
termes tels que "contient/contiennent" et analogues,
tels qu'ils sont employés ici, sont des termes ouverts
qui signifient "comprenant au moins", sauf indication
contraire. Toutes les références, demandes, normes,
publications et brochures, ainsi que tous les brevets,
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tests, documents, textes, articles, etc. mentionnés ici
sont incorporés ici à titre de référence. Lorsqu'une
limite ou une plage numérique est indiquée, les points
finaux sont inclus. De même, toutes les valeurs et
sous-gammes à l'intérieur d'une limite ou d'une plage
numérique sont spécifiquement incluses comme si cela
était explicitement précisé. La description ci-dessus
est présentée dans le but de permettre à un homme du
métier de fabriquer et d'utiliser l'invention, et est
proposée dans le contexte d'une application
particulière avec ses exigences.
Différentes
modifications des modes de réalisation préférés
apparaîtront clairement à l'homme du métier, et les
principes génériques qui sont définis ici peuvent être
appliqués à d'autres modes de réalisation et à d'autres
applications sans sortir de l'esprit et de la portée de
l'invention. Donc, la présente invention n'est pas
destinée à être limitée aux modes de réalisation
décrits, mais doit être interprétée selon la plus large
portée cohérente avec les principes et les
caractéristiques divulgués ici.
