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ACIER LAMINÉ A CHAUD OU A FROID A FAIBLE DENSITE, SON
PROCEDE DE MISE EN OEUVRE ET SON UTILISATION
La présente invention concerne une tôle d'acier laminée possédant
une résistance mécanique supérieure ou égale à 600 MPa et un
allongement à rupture supérieur ou égal à 20% ainsi que son procédé de
fabrication.
Les contraintes environnementales poussent, de manière continue,
les constructeurs automobiles à abaisser les émissions de CO2 de leurs
véhicules. Pour y parvenir, ces derniers ont plusieurs options parmi les
quelles les principales consistent soit à diminuer le poids des véhicules soit
à améliorer le rendement de leur motorisation. Les avancées se font souvent
de manière combinée. La présente invention concerne la première option, à
savoir la réduction du poids des véhicules motorisés. Dans ce domaine bien
précis, il existe une alternative à deux voies:
= La première consiste à diminuer les épaisseurs des aciers tout en
augmentant leurs niveaux de résistance mécanique. Hélas, cette solution
trouve ses limites à cause d'une diminution de rigidité rédhibitoire à
certaines pièces automobiles, et de l'apparition de problèmes acoustiques
nuisibles au confort sonore du passager, sans compter l'incontournable
perte de ductilité associée à la hausse de résistance mécanique.
= La seconde voie consiste à diminuer la densité des aciers en les
alliant à d'autres métaux plus légers. Parmi ces alliages, ceux à basse
densité dits Fer-Aluminium présentent des propriétés mécaniques et
physiques intéressantes tout en permettant d'abaisser considérablement le
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poids. On entendra par faible ou basse densité, une densité inférieure ou
égale à 7,3.
Ainsi, l'addition d'aluminium au fer, du fait de sa faible densité par rapport
à
ce dernier, a permis d'espérer de substantielles réductions de poids pour les
pièces de structure automobile. C'est dans cette optique que la demande de
brevet EP2128293 décrit une tôle laminée à chaud ou à froid de composition
0,2-0,8%C, 2-10 /0Mn, 3-15%Al, et une structure contenant moins de 99%
de ferrite et plus d'1% d'austénite résiduelle. La tôle présente une
résistance
mécanique comprise dans l'intervalle 600-1000MPa et une densité inférieure
à 7,2 et est revêtable. Le procédé de fabrication de la tôle à chaud consiste
à réchauffer entre 1000 et 1200 C, laminer avec une température de fin de
laminage comprise entre 700 et 850 C et à bobiner à une température
inférieure à 600 C. Pour la tôle à froid, on lamine à froid la tôle à chaud
avec
une réduction comprise entre 40 et 90%, on réchauffe à une vitesse
comprise entre 1 et 20 C/s à une température comprise entre la température
de recristallisation et 900 C pendant 10 à 180 secondes. Cette demande de
brevet vise à éviter le chiffonnage et l'apparition de criques au laminage en
limitant le rapport Mn/AI à une valeur comprise entre 0,4 et 1,0. Il y
apparait
qu'au-delà d'un rapport de 1,0, la laminabilité à froid mène à l'apparition de
fissures.
La demande de brevet JP2006118000 vise un acier léger et
présentant une haute résistance ainsi qu'une bonne ductilité. Pour ce faire,
la composition de l'acier proposé contient en pourcentage de poids : 0,1 à
1,0% C, moins de 3,0% Si, 10,0 à 50,0% Mn, moins de 0,01% P, moins de
0,01% S, 5,0 à 15,0% Al et 0,001 à 0,05% N, le reste étant du fer et
d'inévitables impuretés, l'équation (1) ci-dessous devant être satisfaite,
l'acier présentera une densité inférieure ou égale à 7,0.
C5-0,020XMn+AI/15+0,53 (1).
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Il aura une microstructure contenant de la ferrite et de l'austénite. Le
produit
de la résistance mécanique par l'allongement total satisfaisant l'inéquation
suivante: TSxEl k20000 (MPa x %). La laminabilité des aciers avec de si
forts taux d'alliage en Mn et Al est connue pour être sujette à des forts
risques d'apparition de criques.
La demande de brevet W02007/024092 vise à fournir des tôles laminées à
chaud facilement emboutissables. Cette demande concerne une tôle
contenant 0,2-1%C, 8-15%Mn, avec un produit de résistance mécanique par
allongement de 24000MPe/o. Il apparait que cette demande vise une
structure totalement austénitique, or ce type de microstructure est
particulièrement difficile à laminer.
L'invention vise à résoudre ces difficultés en proposant des tôles
d'acier laminé à chaud ou à froid présentant simultanément :
= Une densité inférieure ou égale à 7,3
= Une résistance mécanique supérieure ou égale à 600 MPa
= Un allongement à rupture supérieur ou égal à 20%
= Une bonne aptitude au formage, particulièrement au laminage
= Une bonne soudabilité et une bonne revêtabilité
Un des buts de l'invention est également de fournir un procédé de
fabrication de ces tôles qui soit compatible avec les applications
industrielles
usuelles tout en étant peu sensible aux conditions de fabrication.
L'invention a pour premier objet une tôle d'acier laminée dont la densité est
inférieure ou égale à 7,3 et dont la composition comprend, les teneurs étant
exprimées en poids :
0,10 5 C É 0,30 %
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6,0 É. Mn É. 15,0 %
6,0 5 Al 5 15,0 %
et à titre optionnel, un ou plusieurs éléments choisis parmi :
Si 5 2,0%
Ti É 0,2 %
V 5 0,6 %
Nb 5 0,3 %
le reste de la composition étant composé de fer et d'impuretés inévitables
résultant de l'élaboration, le rapport du poids du manganèse sur celui
d'aluminium étant tel que ¨Mn > 1,0, la microstructure de la tôle étant
Al
constituée de ferrite, d'austénite et jusqu'à 5% de précipités Kappa en
fraction surfacique.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la composition
comprend, la teneur étant exprimée en poids:
0,18 5 C É 0,21%
Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la composition
comprend, la teneur étant exprimée en poids:
7,0 É Mn 5 10,0%
Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la composition
comprend, la teneur étant exprimée en poids:
6,0 5 Al 5 12,0%
Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la composition
comprend, la teneur étant exprimée en poids:
6,0 5 Al 5 9,0%
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Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la composition
comprend, la teneur étant exprimée en poids:
Si 5 1%
De manière préférentielle, le rapport du poids du manganèse sur celui
d'aluminium est tel que:¨Mn ,de manière encore préférée, le rapport est
Al
tel que Mnr 1,5, voire de manière encore plus préférée, le rapport est tel que
Al
Mn n
¨ L,v
Al
De manière encore préférentielle, la tôle selon l'invention est telle que la
résistance mécanique en traction est supérieure ou égale à 600 MPa et
l'allongement à rupture est supérieur ou égal à 20%.
L'invention a pour second objet un procédé de fabrication d'une tôle d'acier
laminée ayant une densité inférieure ou égale à 7,3 qui comprend les étapes
consistant à :
-Approvisionner un acier dont la composition est conforme à l'invention,
-Couler ledit acier pour former un demi produit,
-Réchauffer ledit demi-produit à une température Trech comprise entre
1000 C et 1280 C,
-laminer à chaud ledit demi-produit réchauffé avec au moins une passe en
présence de ferrite pour obtenir une tôle,
-La dernière passe de laminage se fera à une température de fin de
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laminage TFL supérieure ou égale à 850 C.
-Refroidir ladite tôle à une vitesse de refroidissement Vrefl jusqu'à la
température de bobinage Tbob inférieure ou égale à 600 C,
-Puis, bobiner ladite tôle refroidie jusque Tbob,
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une tôle
laminée tel que ledit demi-produit est coulé directement sous forme de
brames minces ou de bandes minces.
De manière préférentielle, la température de fin de laminage TFL est
comprise entre 900 et 980 C.
De manière préférentielle, la vitesse de refroidissement Vrefl est inférieure
ou
égale à 55 C/s.
De manière préférée, la température de bobinage est comprise entre 450 et
550 C.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une tôle
d'acier laminée à froid et recuite avec une densité inférieure ou égale à 7,3
qui comprend les étapes consistant à:
-Approvisionner une tôle d'acier laminée, puis
-Laminer à froid ladite tôle laminée avec un taux de réduction compris entre
35 et 90% de façon à obtenir une tôle à froid, puis
-Chauffer ladite tôle avec une vitesse V, jusqu'à une température de
maintien Tm comprise entre 800 et 950 C pendant un temps tr,-, inférieur à
600 secondes, puis
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-Refroidir ladite tôle à vitesse Vref2 jusqu'à une température inférieure ou
égale à 500 C.
De manière préférée, la température Tm est comprise entre 800 et 900 C.
De manière préférée, la vitesse de refroidissement Vref2 est supérieure ou
égale à 30 C/s.
De manière préférée, la vitesse de refroidissement Vref2 est maintenue
jusqu'à une température comprise entre 500 C et 460 C.
De manière préférée, la tôle refroidie est revêtue de zinc, d'un alliage de
zinc
ou d'un alliage à base zinc.
Les tôles d'acier selon l'invention pourront être utilisées pour la
fabrication
de pièces de structures ou de pièces de peau pour véhicules terrestres à
moteur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au travers
de la présente description. Les figures annexées ci-jointes sont données à
titre d'exemple et de manière non limitative, elles sont telles que:
- La figure 1 illustre la microstructure d'une tôle d'acier laminée à chaud
selon l'invention.
- La figure 2 illustre là microstructure d'une tôle d'acier laminée à chaud ne
satisfaisant pas aux conditions selon l'invention.
- La figure 3 présente le comportement mécanique en traction à chaud
représentant la laminabilité à chaud en fonction de la température de traction
en C.
-La figure 4 illustre la microstructure d'une tôle d'acier laminée à chaud ne
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satisfaisant pas aux conditions selon l'invention.
-La figure 5 illustre la microstructure d'une tôle d'acier laminée à froid
selon
l'invention.
-La figure 6 présente un cliché de diffraction en axe de zone [110] ayant
permis d'identifier le précipité Kappa sur une tôle d'acier laminée à chaud
selon
l'invention.
-La figure 7 illustre une microstructure de tôle à froid ne satisfaisant pas
aux
conditions de l'invention.
-La figure 8 illustre l'évolution de la densité en fonction de la teneur en
aluminium.
La présente invention est relative à des tôles d'acier laminées à chaud
ou à froid présentant une densité réduite par rapport aux aciers
conventionnels et
inférieure ou égale à 7,3, et ce en conservant des caractéristiques mécaniques
de
mise en forme, de résistance mécanique, de soudabilité et de revêtabilité
satisfaisante. L'invention est aussi relative à un procédé de fabrication
permettant de
laminer à chaud et à froid l'acier de l'invention pour obtenir une tôle à
chaud ou à froid
ayant une microstructure comprenant de la ferrite, de l'austénite et jusqu'à
5% de
précipités Kappa en fraction surfacique.
Pour ce faire, la composition chimique de l'acier est très importante
aussi bien pour le comportement mécanique de la tôle que pour son élaboration.
Les
teneurs en éléments de composition chimique qui vont suivre sont donnés en
pourcentage du poids.
-Selon l'invention, la teneur en carbone est comprise entre 0,10 et 0,30%. Le
carbone
est un élément gammagène. Il favorise, avec le Mn, l'apparition de l'austénite
(y) et,
avec l'aluminium, la formation des précipités Kappa (K) basés sur la
stoechiométrie
(Fe,Mn)3A1Cx, où x est strictement inférieur à 1. En dessous de 0,10%, la
résistance
mécanique de 600 MPa n'est pas atteinte.
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Si la teneur en carbone est supérieure à 0,30%, la formation de précipités
Kappa
sera excessive car au-dessus de 5% et le laminage de la tôle d'acier va mener
à des
fissures. De manière préférentielle, on limitera la teneur en carbone à 0,21%
inclus
afin de minimiser les risques d'apparition de criques au laminage.
Préférentiellement,
la teneur minimale en carbone sera aussi supérieure ou égale à 0,18% pour
atteindre
plus aisément la résistance mécanique de 600 MPa.
-Le manganèse doit voir sa teneur comprise entre 6,0% et 15,0%. Cet élément
est, lui
aussi, gammagène. L'ajout du manganèse servira donc essentiellement à
l'obtention
d'une structure contenant de l'austénite en plus de la ferrite (ci). Il a
aussi un effet
durcissant en solution solide et stabilisant sur l'austénite. Le ratio de la
teneur en
manganèse sur celle de l'aluminium aura une forte influence sur les structures
obtenues en fin de laminage. Pour une teneur en Mn inférieure à 6,0%,
l'allongement
à rupture de 20% n'est pas atteint, en outre l'austénite sera insuffisamment
stabilisée
avec le risque de se transformer prématurément en martensite lors d'un
refroidissement rapide, aussi bien en sortie de laminage à chaud que sur une
ligne de
recuit. Au-dessus de 15,0%, du fait de son effet gammagène, le Mn augmente de
manière excessive la fraction volumique d'austénite, réduisant de fait la
concentration
en carbone de la phase austénitique, ce qui empêcherait d'atteindre les 600
MPa de
résistance. De manière préférée, on limitera l'addition de Mn à 10,0%. Pour la
limite
inférieure, de manière préférée, la teneur en Mn sera de 7,0% afin d'atteindre
l'allongement de 20% plus facilement.
-En ce qui concerne l'aluminium, sa teneur doit aussi être comprise entre 6,0%
et
15,0%. L'aluminium est un élément alphagène, il diminue donc le
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domaine austénitique et cet élément tend à promouvoir la formation de
précipités Kappa en se combinant avec le carbone. L'aluminium présente
une densité de 2,7 et influe fortement sur les propriétés mécaniques. Quand
la teneur en aluminium augmente, la résistance mécanique et la limite
élastique augmentent, alors que l'allongement à rupture diminue, ce qui
s'explique par une diminution de la mobilité des dislocations. En dessous de
6,0%, l'effet de réduction de densité dû à la présence d'aluminium perd de
son intérêt. Au dessus de 15,0%, une précipitation incontrôlée de Kappa
avec une densité surfacique supérieure à 5% apparaît et nuit à la ductilité du
matériau. On souhaite limiter, de manière préférentielle, la teneur en
aluminium à strictement moins de 9,0% afin d'éviter une précipitation
d'intermétalliques fragiles. La figure 7 illustre une microstructure dans
laquelle les précipités Kappa se sont formés de manière incontrôlée.
-Le rapport de la teneur pondérale du manganèse sur celle de l'aluminium
est primordial car il gouverne la stabilité de l'austénite et la nature des
structures formées lors du cycle de fabrication. En dessous d'un rapport égal
à 1,0 inclus, la nature des phases formées dépend trop fortement de la
vitesse de refroidissement, aussi bien après le laminage à chaud qu'après le
recuit de recristallisation pour la tôle à froid. On risque ainsi de former de
la
martensite à partir de l'austénite voire de voir disparaître cette dernière au
profit de la ferrite et de précipités Kappa tel qu'illustré dans la figure 7.
La
microstructure de la tôle de l'invention écarte la présence de la martensite
et
assure la présence d'austénite stable. Ainsi, on ne souhaite pas avoir un
rapport ¨Mn 1,0 pour s'assurer d'avoir une bonne laminabilité et une tôle
Al
peu sensible aux conditions de fabrication.
Au dessus d'un rapport de la teneur pondérale en manganèse sur celle de
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l'aluminium égal à 1,0, la tôle produite est peu sensible aux conditions de
fabrication tout en étant aisément laminable aussi bien à chaud qu'à froid.
Cette baisse de sensibilité est améliorée en augmentant le rapport, ainsi il
est préféré un rapport supérieur ou égal respectivement à 1,1, de manière
préférentielle, un rapport supérieur ou égal à 1,5 voire de manière encore
plus préférée, un rapport supérieur ou égal à 2,0.
-Au même titre que l'aluminium, le silicium est un élément permettant de
réduire la densité de l'acier et réduit l'énergie de défaut d'empilement.
Cette
réduction permet d'obtenir un effet TRIP connu de l'homme de métier.
Néanmoins sa teneur est limitée à 2,0%, car au-delà, cet élément a
tendance à former des oxydes fortement adhérents générant des défauts de
surface. En effet, la présence d'oxydes de surface mène à des défauts de
mouillabilité lors d'une éventuelle opération de dépôt de zinc au trempé par
exemple. Préférentiellement, on limitera le Si à 1%.
-des éléments de micro alliages tels que le titane, le vanadium et le niobium
peuvent être ajoutés en quantité respectivement inférieures à 0,2%, 0,6% et
0,3% afin d'obtenir un durcissement supplémentaire par précipitation. En
particulier le titane et le niobium permettent de contrôler la taille de grain
au
cours de la solidification. Une limitation est cependant nécessaire car au-
delà, on obtient un effet de saturation.
D'autres éléments tels que le cérium, le bore, le magnésium, ou le zirconium
peuvent être ajoutés seuls ou en combinaison dans les proportions
suivantes: Ce 5. 0,1%, B 5 0.01, Mg 5 0,010, et Zr 5. 0,010. Jusqu'aux
teneurs maximum indiquées, ces éléments permettent d'affiner le grain
ferritique lors de la solidification.
Le reste de la composition est constitué de fer et d'impuretés inévitables
résultant de l'élaboration.
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-La microstructure de la tôle selon l'invention est constituée de ferrite,
d'austénite et jusqu'à 5% de précipités Kappa en fraction surfacique. La
ferrite présente une solubilité du carbone croissante avec la température. Or,
le carbone en solution solide est très fragilisant pour les aciers à basse
densité, car il réduit davantage la mobilité des dislocations déjà basse du
fait
de la présence de l'aluminium. Une saturation de carbone dans la ferrite
peut donc conduire à l'activation d'un mécanisme de maclage au sein de
cette dernière. Ainsi, sans être lié par cette théorie, les inventeurs
avancent
que l'austénite et les précipités servent de pièges à carbone efficaces et
facilitent le laminage dans le domaine intercritique. Cette approche est
surprenante car on pourrait croire qu'il faudrait éviter de former ces phases
dures pour faciliter le laminage mais la solubilité du carbone dans
l'austénite
et dans les précipités est plus élevée que dans la ferrite. Cette combinaison
de structure contenant de la ferrite, de l'austénite jusqu'à 5% de précipités
Kappa en fraction surfacique confère donc à la tôle la ductilité nécessaire
autant à sa laminabilité lors du laminage que lors de fabrication de pièces de
structure. Il est précisé que le taux de recristallisation de la ferrite après
le
recuit ou après le bobinage sera supérieur à 90% et idéalement égal à
100%. Si la fraction recristallisée de ferrite est inférieure à 90%, la tôle
obtenue ne présentera pas les 20% d'allongement requis par l'invention.
De nombreuses expériences et études métallographiques ont permis aux
inventeurs de mettre en évidence que la présence localisée de précipités de
type Kappa en forme de liseré autour des joints de grain ferritique réduit,
quant à elle, la laminabilité de la tôle.
La densité surfacique des précipités Kappa peut aller jusque 5% car au
dessus de 5%, la ductilité chute et on n'atteint pas les 20% d'allongement à
rupture de l'invention. En outre, on risque aussi d'avoir une précipitation
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incontrôlée de Kappa autour des joints de grain ferritique, ce qui
augmenterait les efforts de laminage de la tôle de l'invention avec les outils
usuels de laminage d'acier à l'échelle industrielle. Ainsi de manière
préférentielle, on envisage moins de 2% de précipités Kappa. Il est précisé
que la microstructure étant uniforme, la fraction surfacique est égale à la
fraction volumique.
La mise en uvre du procédé de fabrication d'une tôle laminée à
chaud selon l'invention est la suivante :
-On approvisionne un acier de composition selon l'invention
-On procède à la coulée d'un demi-produit à partir de cet acier. La coulée
peut s'effectuer soit en lingot, soit en continu soit sous forme de brames
minces ou bandes minces. C'est-à-dire avec une épaisseur allant d'environ
220 mm pour les brames et pouvant aller jusque quelques dizaines de mm
pour les bandes minces.
-Les demi-produits coulés sont ensuite réchauffés à une température
comprise entre 1000 C et 1280 C afin d'avoir en tout point une température
favorable aux fortes déformations de laminage. Au-delà de 1280 C, on
risque de former des grains ferritiques particulièrement grossiers, les
nombreux essais des inventeurs ont indiqué une corrélation entre la taille de
grain ferritique initiale et la capacité de ces derniers à recristalliser lors
du
laminage à chaud. Plus la taille de grain ferritique initiale est grande,
moins il
recristallise facilement, ainsi on évite des températures de réchauffage au-
delà de 1280 C car celles-ci sont industriellement couteuses et peu
favorables à la recristallisation de la ferrite. Cela peut, d'autre part,
amplifier
le phénomène de chiffonnage (encore appelé roping ). Il est précisé que
le chiffonnage est dû à un ensemble de grains de petite taille, faiblement
désorientés, au sein de grains de plus grande taille. Ce phénomène est
visible par une localisation préférentielle des déformations au sein de
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bandes dans la direction de laminage. Il est dû à la présence de grains non
recristallisés restaurés. On le mesure par un faible allongement réparti dans
la direction transverse.
En dessous de 1000 C, il devient de plus en plus difficile d'avoir une
température de fin de laminage au dessus de 850 C. De manière préférée,
la température de réchauffage est comprise entre 1150 et 1280 C.
Les étapes suivantes permettent d'éviter le phénomène de chiffonnage et
d'avoir une bonne ductilité et une bonne emboutissabilité :
-Il est nécessaire d'effectuer le laminage avec une moins une passe de
laminage en présence de ferrite, c'est-à-dire dans le domaine partiellement
ou totalement ferritique. Ceci afin d'éviter une saturation de carbone dans la
ferrite pouvant mener au maclage. L'austénite sert ainsi de pièges à carbone
efficace car la solubilité du carbone dans l'austénite est plus élevée que
dans la ferrite.
-La dernière passe de laminage est effectuée à une température supérieure
à 850 C car en dessous de cette température, la tôle d'acier selon l'invention
présente une chute notable de laminabilité comme le montre la figure 3 qui
présente la striction d'éprouvettes soumises à une traction à chaud à
différentes températures. Une température de fin de laminage comprise
entre 900 et 980 C est préférée afin d'avoir une structure propice à la
recristallisation et laminable.
-On refroidit ensuite la tôle obtenue à une vitesse de refroidissement jusqu'à
la température de bobinage Tbob. De manière préférentielle, on préférera une
vitesse de refroidissement Vrefi inférieure ou égale à 55 C/s afin de mieux
contrôler la précipitation des kappa.
-On bobine ensuite la tôle à une température de bobinage inférieure à 600 C
car au dessus, on risque de ne pas pouvoir contrôler la précipitation de
kappa, et d'avoir plus de 5% de ce dernier suite à une décomposition
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importante l'austénite tel qu'illustré dans les figures 2 et 4. De manière
préférentielle, on bobine la tôle à une température comprise entre 450 et
550 C.
A ce stade, on obtient une tôle laminée à chaud et si on souhaite obtenir une
tôle laminée à froid avec une épaisseur inférieure par exemple à 5 mm, on
procède aux étapes suivantes :
-On effectue un laminage à froid avec une réduction d'épaisseur comprise
entre 35 et 90%.
-On chauffe ensuite la tôle laminée à froid à une vitesse de chauffe Vc que
l'on préfère supérieure à 3 C jusqu'à une température de maintien Tm
comprise entre 800 et 950 c pendant un temps inférieur à 600 secondes afin
de s'assurer d'un taux de recristallisation supérieur à 90% de la structure
initiale fortement écrouie.
-On refroidit ensuite la tôle à une vitesse Vref2 jusqu'à une température
inférieure ou égale à 500 C, on préfère une vitesse de refroidissement
supérieure à 30 C/s pour mieux contrôler la formation des précipités Kappa
et ne pas dépasser les 5% en teneur surfacique. En dessous de 500 C, un
traitement thermique supplémentaire afin de faciliter un dépôt de revêtement
au trempé avec par exemple du zinc ne changera pas les propriétés
mécaniques de la tôle de l'invention. Les inventeurs ont pu montrer qu'en
arrêtant le refroidissement à la vitesse Vref2 entre 500 et 460 C, pour
effectuer un maintien avant trempe dans un bain de zinc, les propriétés
visées par la tôle de l'invention restent inchangées.
A titre illustratif et non limitatif, les essais suivants vont montrer les
caractéristiques avantageuses pouvant émaner de la mise en oeuvre de
tôles d'acier selon l'invention.
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Exemple 1 : Tôles laminées à chaud
Des demi-produits ont été élaborés à partir de coulées d'acier. Les
compositions des demi-produits, exprimées en pourcentage pondéral,
figurent dans le tableau 1 ci-dessous :
Le reste de la composition des aciers figurant dans le tableau 1 est constitué
de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration.
Mn Al Si Ti V Nb Mn/AI
11 0,193 14,9 6,52 <0,030 0,096 <0,030 <0,030 2,29
12 0,188 8,28 7,43 <0,030 <0,030 <0,030 <0,030 1,11
R1 0,186 3 4 9,7 <0,030 <0,030 <0,030 <0,030 0 35
R2 0,117 418 7,6 <0,030 <0,030 <0,030 <0,030 0 63
R3 0,2 7,01 8,07 0,25 <0,030 <0,030 <0,030 0 87
Tableau 1 : Composition d'aciers (%poids).
1=invention / R=Référence / les valeurs soulignées sont non-conformes à
l'invention.
Les produits ont été laminés à chaud afin d'obtenir des tôles laminées à
chaud et les conditions de fabrication figurent dans le tableau 2 ci-dessous
avec les abréviations suivantes :
= Trech : est la température de réchauffage
= TFL : est la température de fin de laminage
= Vrefl est la température de refroidissement après la dernière passe
de laminage.
= Tbob : est la température de bobinage
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Trech ( C) TFL ( C) Vrefl Tbob ( C)
11 1180 950 air 500
12 1230 964 air 500
R1 1300 950 air 500
R2a 1230 975 air 700
R2b 1150 954 eau ambiante')
R3 1220 927 50 C/s 500
Tableau 2 : Conditions de fabrication des tôles laminées à chaud à partir des
demi-produits.
1=invention / R=Référence / les valeurs soulignées sont non-conformes à
l'invention.
Les tôles 11 et 12 sont des tôles dont la composition chimique et le procédé
de mise en oeuvre sont selon l'invention. Les deux compositions chimiques
sont différentes et présentent des rapports Mn/A1 différents. Les tôles
référencées R1, R2 et R3 présentent des compositions chimiques ne
satisfaisant pas aux conditions selon l'invention respectivement soit pour la
teneur en Mn, soit pour les teneurs en C et en Mn soit pour le rapport Mn/Al.
R2a et R2b sont deux essais issus de la même nuance R2 dans le tableau
1. Le laminage à chaud a été effectué avec au moins une passe de
laminage en présence de ferrite. Le refroidissement à l'air présente une
vitesse de refroidissement inférieure à 55 C/seconde.
Le tableau 3 présente les caractéristiques suivantes :
= Ferrite : désigne la présence ou non de ferrite recristallisée avec un
taux de recristallisation supérieur à 90% dans la microstructure de la
tôle après le bobinage.
= Austénite : désigne la présence ou non de d'austénite dans la
microstructure de la tôle après le bobinage.
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= K: désigne la présence de précipités Kappa dans la microstructure avec
une
fraction surfacique inférieure à 5 %. Cette mesure est effectuée grâce à un
microscope électronique à balayage.
= Rm (MPa) : la résistance mécanique dans un essai de traction en sens
longitudinal par rapport à la direction de laminage.
= Atot(%) : désigne l'allongement à rupture dans un essai de traction en
sens
longitudinal par rapport à la direction de laminage.
= Densité estimée : sur la base de la figure 8 selon la teneur en Al.
= Fissure : Désigne si une fissure clairement visible à l'ceil nu est
apparue
après le laminage à chaud sur la tôle.
= X: Indique que la mesure n'a pas été faite.
Ferrite Austénite K RmAtot (%) Densité Fissure
(MPa)
11 OUI OUI OUI 647 41 <7,3 NON
12 OUI OUI OUI 683 34,1 <7,3 NON
R1 OUI OUI OUI X X <7,3 OUI
R2a OUI OUI OUI 560 2 9 <7,3 NON
R2b OUI OUI OUI 664 13 <7,3 NON
R3 OUI OUI OUI 810 14 1 <7,3 OUI
Tableau 3: Propriétés des tôles laminées à chaud.
I= invention / R=Référence / les valeurs soulignées sont non-conformes à
l'invention
Les deux tôles d'acier 11 et 12 correspondent aux tôles selon l'invention. La
microstructure de la tôle 11 est illustrée par la figure 1. Aucune de ces
tôles ne
présente de fissure après le laminage. Les résistances mécaniques sont
supérieures à 600 MPa, leur allongement à rupture est largement supérieur à
20% et elles sont soudables et revêtables. La présence de ferrite (a) et
d'austénite (y) a été confirmée au microscope électronique à balayage et la
présence de précipités Kappa (K) l'a été par l'indexation du cliché de
diffraction
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de obtenu suite à des observations au microscope électronique à
transmission (cf. figure 6).
La tôle R1 présente une teneur en Mn inférieure à 6%, un rapport Mn/AI
inférieur à 1 et une température de réchauffage supérieure à 1280 C. La
tôle, après le laminage à chaud a présenté des fissures. La laminabilité de
cet acier est insuffisante. La lettre X)> signifie qu'il n'y a pas eu de
test de
traction.
Les tôles R2a et R2b sont issues de la tôle R2 et présentent un rapport
Mn/AI inférieur à 1 et une teneur en manganèse inférieure à 6%. R2a a subi
un bobinage à une température supérieure à 600 C ce qui a mené à une
décomposition de l'austénite en Kappa et en ferrite comme illustré par la
figure 4. L'allongement n'atteint pas les 20% nécessaires.
La tôle R2b a subi des conditions de laminage selon l'invention mais la
composition chimique ne satisfaisant pas aux conditions visées, c'est-à-dire
que le rapport Mn/AI est en dessous de 1, l'allongement de 20% n'est pas
atteint.
La tôle R3 présente un rapport Mn/AI inférieur à 1,0; malgré des conditions
de laminage selon l'invention et des éléments d'alliage dans les fourchettes
visées par l'invention, des fissures sont apparues lors du laminage à chaud.
Exemple 2 : Tôles laminées à froid et recuites
Des demi-produits ont été élaborés à partir d'une coulée d'acier. La
composition chimique des demi-produits, exprimée en pourcentage
pondéral, figure dans le tableau 4 ci-dessous :
Le reste de la composition des aciers figurant dans le tableau 4 est constitué
de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration.
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Densité mesurée par
Mn Al Si Ti V Nb Mn/A1 pycnométrie
13 0,21 8,2 7,4 0,26 <0,030 <0,030 <0,030 1,11
7,04
14 0,21 8,6 6,1 0 <0,030 <0,030 <0,030 1,41
7,17
15 0,2 8,6 6,1 0,89 <0,030 <0,030 0,1 1,41 7,12
16 0,19 8,7 7,2 0 <0,030 <0,030 <0,030 1,21
non mesurée
Tableau 4 : Composition d'acier (cYopoids).1=invention
La densité d'I6 a été estimée à 7,1 grâce à la courbe de la figure 8.
Les produits ont tout d'abord été laminés à chaud dans les conditions
suivantes :
T(0)T ( T Cree C FL '-'J Vref1 bobC)
13a 1180 905 50 C/s 500
13b 1180 964 50 C/s 500
14 1150 935 55 C/s 450
15 1150 952 55 C/s 450
16 1150 944 50 C/s 450
Tableau 5 : Conditions de laminage à chaud
Les tôles ont ensuite été laminées à froid et recuites. Les conditions de
fabrication figurent dans les tableaux 5 et 6 avec les abréviations suivantes
:
= Trech : est la température de réchauffage
= TF_: est la température de fin de laminage
= Vref1 est la température de refroidissement après la dernière passe
de laminage.
= Tbob : est la température de bobinage
= Taux : est le taux de réduction lors du laminage à froid
= Vc: est la vitesse de chauffe jusqu'à la température de maintien Tm.
= Tm : est la température de maintien de recristallisation.
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= tm : est le temps pendant lequel la tôle est maintenue à la température
Tm.
= Vref2 est la vitesse de refroidissement jusqu'à une température
inférieure à 500 C.
Taux (t'A) V ( C/s) Tm ( C) tm (sec) Vref2
13a 74 15 830 136 50
13b 74 15 850 136 50
14 75 15 905 136 55
15 75 15 910 136 55
16 75 15 909 136 55
Tableau 6: Conditions de fabrication des tôles laminées à froid et recuites.
1=invention
Les tôles I3a, 13b, 14, 15 et 16 sont des tôles dont la composition chimique
et
le procédé de mise en oeuvre sont selon l'invention.
Le tableau 7 présente les caractéristiques suivantes :
= Ferrite : désigne la présence ou non de ferrite recristallisée avec un
taux de recristallisation supérieur à 90% dans la microstructure de la
tôle recuite.
= Austénite : désigne la présence ou non de d'austénite dans la
microstructure de la tôle après le bobinage.
= K: désigne la présence de précipités Kappa dans la microstructure
avec une fraction surfacique inférieure à 5 %. Cette mesure est
effectuée grâce à un microscope électronique à balayage. Quand il
est écrit NON , les précipités kappa sont absents.
= Rm (MPa) : la résistance mécanique dans un essai de traction en
sens longitudinal par rapport à la direction de laminage.
= Atot(%) : désigne l'allongement à rupture dans un essai de traction en
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sens longitudinal par rapport à la direction de laminage.
= Densité mesurée: désigne la densité mesurée par pycnométrie et
illustrée sur la figure 7.
= Fissure : Désigne si une fissure clairement visible à l'ceil nu est
apparue après laminage sur la tôle.
Ferrite Austenite K Rm (MPa) Atot (%) Densité mesurée Fissure
13a OUI OUI NON 831 23 7,04 NON
13b OUI OUI NON 800 26 7,04 NON
14 OUI OUI NON 685 34 7,17 NON
15 OUI OUI NON 742 30 7,12 NON
16 OUI OUI NON 704 22 7,1* NON
Tableau 7: Propriétés des tôles laminées à froid et recuites. 1=invention
* la densité d'16 a été estimée.
Les tôles d'acier laminées à froid du tableau 7 correspondent à des tôles
selon l'invention. La microstructure de la tôle 13a est illustrée par la
figure 5.
Aucunè de ces tôles ne présente de fissure après laminage. Les résistances
mécaniques sont supérieures à 600 MPa, leur allongement à rupture est
supérieur à 20% et elles sont soudables et la tôle 13a a été revêtue de Zn
par un procédé de trempe dans un bain de Zn à 460 C, appelé procédé de
galvanisation au trempé. La tôle, aussi bien nue que revêtue, présente une
= bonne soudabilité.Les aciers selon l'invention présentent ainsi une bonne
aptitude à la galvanisation en continu, en particulier.
Les aciers selon l'invention présentent une bonne combinaison de propriétés
intéressantes pour les pièces de structures ou de peau dans l'automobile
(faible densité, bonne . aptitude à la déformation, bonne propriétés
mécaniques, bonne soudabilité et bonne résistance à la Corrosion avec un
revêtement).
