Brevet FR2003109A1 — publié le 19691107

i 2003109 La présente invention concerne une tôle d'acier laminée à froid présentant peu de défauts de surface dits soufflures et une aptitude élevée au formage à froid, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. 5 Dans le cas du formage d'une tôle d'acier laminée à froid par une opération à la presse, il est nécessaire que la tôle d'acier ne soit pas sujette au vieillissement et il convient qu'elle soit apte, suivant l'utilisation qu'on en fait, à l'emboutissage pro-fond et aux opérations d'extrusion, 10 Si une tôle d'acier laminée à froid sortant d'un laminoir est telle, après recuit et laminage, qu'elle soit sujette au phénomène de vieillissement avant d'être soumise au travail à la presse, il se produit, lors de la déformation à la presse, un réseau irrégu» lier non uniforme, appelé contrainte d'étirage, qui nuit considérais blement à l'aspect du produit obtenu et réduit son aptitude au travail à la presse. C'est pourquoi il est nécessaire que le matériau ne soit pas sujet au vieillissement* On estime que la principale cause de ce phénomène de vieillissement résulte d'une solution solide de l'azote dans l'acier et 20 qu'on peut l'éviter en ajoutant un élément qui se combine avec 1* azote. Parmi les éléments d'addition de ce genre, on utilise, dans la plupart des cas, l'aluminium qui est bon marché. Un acier calmé à l'aluminium contenant plus de 0,02 % d'aluminium soluble à l'acide (qui sera désigné ci-après par le terme d'aluminium soluble) 25 est un acier typique de ce genre. Toutefois, dans le cas de la fabrication d'une telle tôle d* acier et si l'aluminium nécessaire est ajouté en poche ou dans le moule lors de la coulée de l'acier en fusion, l'alumine (AÊ^O^) présente une ségrégation principale près de la surface du lingot, 30 ce qui fait que non seulement les propriété de surface du lingot se trouvent altérées, mais il se forme aussi des soufflures et défauts à la surface du produit laminé et le rendement en ce produit se trouve notablement abaissé. A titre de mesure destinée à éviter ces défauts de surface, 35 on connait déjà un procédé de coulée en lingot dans lequel on introduit l'aluminium immédiatement ou dans les quelques minutes qui suivent la coulée de l'acier effervescent dans le moule. (L'acier ainsi préparé sera dénommé ci-après acier effervescent stabilisé). Toutefois, avec ce procédé de coulée en lingot, il est nécessaire 40 de régler les teneurs en carbone et en manganèse et éléments ana 6V 05432 2 2003109 logues, du fait de 1*obligation où 1'on est de donner naissance à un effet d'effervescence intense au Bornent de la coulée de l'acier en fusion mais, en revanche, l'aptitude au formage à froid (en 1* espèce l'aptitude à l'emboutissage profond et à l'extrusion) du 5 produit,est obligatoirement altérée par ce réglage» En conséquence, ces effets contraires posent dans l'industrie un problème sérieux. La présente invention a pour but de résoudre le problème ci-dessus défini et elle a pour but de parvenir à l'obtention d'un acier effervescent stabilisé présentant de bonnes propriétés de sur-10 face et une excellente aptitude au formage à froid. L'invention sera décrite plus en détail ci»après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: Fig. 1 est un graphique montrant l'influence de la teneur en manganèse sur la valeur de r du produit final dans le cas où l'on 15 ne modifie que la teneur en manganèse) Fig. 2 est un graphique montrant l'influence des valeurs absolues et de la combinaison des teneurs en manganèse et en sou» fre sur les valeurs de r et de n du produit final dans le cas où l'on fait varier les teneurs en manganèse et soufre) 20 Fig. 3 est une reproduction photographique d'un échantillon prélevé dans l'angle d'un lingot obtenu par un procédé tradition»» nel dans le cas où la teneur en manganèse a été fixée à 0,30 %\ Fig. 4 est une reproduction photographique d'un échantillon prélevé dans l'angle d'un lingot préparé conformément à la présen-25 te invention. Quand on élabore un acier effervescent stabilisé suivant un procédé ordinaire de coulée en lingot dans lequel on introduit 1* aluminium immédiatement ou quelques minutes après qu'un acier en fusion, qui doit être transformé en un acier effervescent, a été 30 coulé, il est possible d'éviter une ségrégation principale de 1* alumine au voisinage de la surface du lingot et la formation par l'alumine de défauts de surface. Dans ce cas, l'épaisseur et l'état parfaitement sain de la couche effervescente solidifiée avant 1' introduction de l'aluminium ont de l'importance en ce qui concerne 35 les défauts de surface. On estime qu'il est souhaitable que la teneur en carbone soit comprise dans une gamme allant de 0,07 à O,10% pour obtenir une couche superficielle saine. Si on applique le procédé ci-dessus décrit de coulée en lingot à un acier en fusion contenant moins de 0,07 % de carbone, 1* 40 effet d'effervescence est faible et il subsiste un grand nombre de 69 05442 3 2003109 petites bulles, comme le montre la reproduction photographique (d*un acier à 0,050 % de carbone, 0,30 % de manganèse et 0,018 % de soufre) de la figure 3, ce par quoi l'état sain de la couche de surface est notablement altéré. Les bulles réparties près de la 5 peau du lingot sont sujettes à une oxydation pendant le chauffage d'homogénéisation et on ne peut pas les fermer par compression en mettant leurs faces en contact, ce qui provoque des soufflures ou défauts de surface dans le produit laminé. Toutefois, du point de vue de l'aptitude du produit final à 10 la déformation, il est souhaitable que la teneur en carbone soit aussi faible que possible et on demande qu'elle soit inférieure à 0,07 %. En vue de résoudre cette contradiction, on a découvert que, dans le cas où on réduit la teneur en carbone, seule la teneur en 15 manganèse dans la poche a un rapport avec la suppression des bulles formées et que, si on donne à la teneur en manganèse une valeur si faible qu'elle ne soit pas concevable au sens ordinaire pour une tôle d'acier laminée à froid traditionnelle, c'est-à-dire une valeur inférieure à 0,2 %t les bulles au voisinage de la peau du 20 lingot(à 0,052 % de carbone, 0,17 % de manganèse et 0,016 % de soufre) disparaissent comme le montre la reproduction photographique de la figure 4, et ainsi le problème des défauts ou soufflures de surface dans le produit peut être résolu. D'autre part, l'influence de la réduction de la teneur en 25 manganèse dans la poche, à une valeur inférieure à 0,20 %, sur 1* aptitude du produit à la déformation, devient un problème important. La figure 1 représente le rapport entre la valeur de r et la teneur en manganèse d'un produit obtenu à partir d'un lingot effervescent stabilisé à 0,006 % de soufre, ce lingot d'acier étant ob-30 tenu par fusion de telle sorte que sa teneur en manganèse puisse être portée à diverses valeurs mais sans que les autres constituants chimiques soient modifiés intentionnellement, et celà en sou» mettant ce lingot aux opérations suivantes: blooming, laminage à chaud, laminage à froid avec un taux de réduction de 70 % et enfin 35 à un revenu de recristallisation à 700°C pendant 4 heures. La valeur de r, qu'on appelle également taux de contrainte plastique est une caractéristique mécanique constituée par le rapport entre la contrainte dans le sens de la largeur et la contrainte dans le sens de l'épaisseur d'une éprouvette de traction et on 40 sait qu'elle représente une corrélation très favorable avec l'apti 69 05442 4 2003109 tude à l'emboutissage profond d'une tôle métallique, La valeur r est une valeur moyenne dans chaque direction dans le plan de la tôle. Plus la valeur r est grande, plus l'aptitude à 1'emboutissa-5 ge profond est élevée. Sa valeur est d'environ 1,3 pour un acier effervescent ordinaire ou d'environ 1,6 pour un acier calmé à 1* aluminium supérieur. Ainsi qu'on le voit clairement dans la figure 1, on constate un rapport défini entre la valeur r et la teneur en manganèse, 10 Lorsque la teneur en manganèse est d'environ 0,10 %, la valeur de r es t maximale. Ainsi que cela sera décrit ci-après, à moins que le matériau contienne une proportion suffisante de manganèse par rapport à celle du soufre, ce matériau se rompt ou se fissure en raison du 15 phénomène de la fragilité au rouge pendant le laminage à chaud. Les valeurs de r de ce matériau données dans les parties de la figure 1 correspondant à une faible teneur en manganèse, ont été obtenues par conversion à partir d'une valeur fournie par une mesure sur un produit final obtenu par traitement d'un matériau par» 20 tiellement fissuré au cours du laminage à chaud à titre de matériau de départ, cette valeur mesurée étant obtenue par mesure quantitative de la surface du cristal parallèlement au plan de la tôle du produit final avec des rayons X, Etant donné que,pour la mesure aux rayons X,on peut utiliser un échantillon de moindre importance 25 que dans le cas d'un essai mécanique, on peut utiliser comme échantillon même un matériau partiellement fissuré, si on évite la partie fissurée. D'autre part, on a décrit d'une manière détaillée, par exemple dans la revue intitulée "Japan Métal Society Journal" Vol 29, N° 4, 1965,que le rapport entre la valeur mesurée avec des 30 rayons X et la valeur r mesurée par un essai mécanique est très ira-portant. Dans une tôle d'acier ordinaire,comme par exemple celle qui correspond à la norme industrielle japonaise G 3310(1965) SPC 3 (tôles d'acier pour emboutissage profond), la teneur en manganèse est indiquée comme devant être de 0,25 à 0,45 %m Toutefois, 35 d'après les résultats de la figure 1, on peut dire qu'il est avantageux,en ce qui concerne la valeur de r,de réduire encore plus la teneur en manganèse. Toutefois, on a découvert en même temps que la valeur de r est fortement influencée non seulement par la teneur en manganèse, 40 mais aussi par la teneur en soufre. Autrement dit, la figure 2 mon 69 05442 5 2003109 tre les relations entre les valeurs r et n du produit et les teneurs en manganèse et en soufre, quand on applique un traitement, comme dans le cas du matériau de la figure 1 à chacune des 57 nuances de lingots obtenues par des combinaisons variées, dans les 5 gammes allant de 0,02 à 0,40 7c de manganèse et de 0,003 à 0,030 % de soufre, dans un acier effervescent stabilisé. On voit clairement par ce graphique que les valeurs de r et de n sont influencées à la fois par le manganèse et le soufre. Dans le graphique, les valeurs de r et n sont représentées respec-10 tivement par des repères ronds et carrés pour le même matériau. Toutefois, dans ce graphique, la position du repère rond indique la position exacte. Le repère carré est dessiné latéralement. Le repère rond qui ne présente pas latéralement de repère carré indique que le matériau a été brisé par suite de sa fragilité au rou-15 ge et que la valeur de n n'a pas pu être mesurée, La valeur n dont il a été question est également dénommée indice d'écrouissaoe et est connue comme ayant une bonne relation avec l'aptitude à l'extrusion de la tôle métallique» La grandeur n correspond à l'indice n dans le cas où la courbe de la tension 20 vraie (g~) en fonction de la fatigue (£*) obtenue par l'essai à la traction du matériau est donnée approximativement par la relation log, £ dans la gamme des contraintes allant de ÎO à 20 %, Plus cette grandeur est élevée, plus est grande l'aptitude 25 à l'extrusion. Elle atteint à peu près 0,22 pour un acier effervescent ordinaire ou pour un acier calmé à l'aluminium. Ainsi que cela est décrit ci-après, la nuance d'acier de la présente invention est choisie de façon que l'aluminium soluble contenu dans l'acier présente une teneur supérieure à 0,01 %, Toute-30 fois, cela est à peu près la même chose que dans un acier calmé à l'aluminium ordinaire et cela suffit pour que l'acier ne soit pas sujet au vieillissement. Toutefois, dans un acier calmé à l'aluminium ordinaire et lorsque l'azote soluble à l'acià* (azote soluble) contenu dans 1* 35 acier présente à peu près la même teneur que dans l'acier selon la présente invention, c'est-à-dire de 20 à 30 parties pour mille,il est très difficile d'obtenir un produit pour lequel la valeur de r soit supérieure à 1,5, Par contre, c'est une des principales caractéristiques de la présente invention qu'on puisse atteindre pour r 40 la valeur favorable de 2,0 en réduisant la teneur en manganèse et bad original 69 05442 6 2003109 en équilibrant le manganèse et le soufre. Les résultats donnés par la figure 2 permettent de conclure qu'il convient d'adopter, pour la teneur en manganèse, une gamme allant de 0,04 à 0,20 % (de préférence de 0,08 à 0,18 %) et, pour 5 la teneur en soufre, une gamme allant de 0,004 à 0,020 % (de préférence de 0,008 à 0,018 %), si on se fixe comme objectif à atteindre une valeur de r supérieure à 1,6, ce qui est un niveau moyen approximatif de la valeur de r d'un acier calmé à l'aluminium, c'est-à-dire d'une tôle d'acier caractéristique pour emboutissage 10 très profond, et une valeur de n supérieure à O,22, ce qui est un niveau moyen approximatif pour la valeur de n de ce même acier. Lorsque le manganèse et le soufre ont été présents dans ces proportions, on a obtenu un produit présentant une valeur de r de 1,7 à 2,2 et une valeur de n de 0,26 à 0,34» A présent, les aciers tra-15 ditionnels de même nuance contiennent du manganèse et du soufre dans des proportions d'environ 0,30 à 0,40 % et de 0,010 à 0,025 % respectivement et présentent dans ce cas, pour r, des valeurs de 1,4 à 1,8 et des valeurs de n de 0,20 à 0,25, ce qui montre clairement la supériorité du procédé, quand on fait la comparaison avec 20 les chiffres ci-dessus indiqués pour l'acier de la présente invention. Par contre, en métallurgie, il existe un phénomène dénommé fragilité au rouge, phénomène qui fait que l'acier devient fragile quand on le lamine à chaud. On estime que cela est du au fait que 25 le soufre contenu dans l'acier se dépose en réseau sous forme de sulfure de fer autour d'un cristal initiala A titre de mesure évitant ce phénomène, on a largement adopté la pratique qui consiste à ajouter du manganèse dans une proportion égale à celle du soufre. En raison de la ségrégation du soufre dans le lingot, on a 30 jusqu'à présent ajouté empiriquement le manganèse dans une proportion telle que le rapport entre le manganèse et le soufre ait une valeur supérieure ou égale à ÎO dans le cas d'un acier effervescent Toutefois, dans le cas d'un acier effervescent stabilisé,la ségré» gation du soufre est si faible et la teneur en oxygène de l'acier 35 est si faible que cette valeur peut être plus faible. On observe également d'après les résultats de la figure 2 que,lorsque le rapport Mn/S est supérieur à 7, le matériau n'est pas sujet à la rupture. En résumé de ce qui a été dit ci-dessus, il est évident que 40 les teneurs en manganèse et en soufre qui conviennent pour obtenir 6/10 ofvginal 69 05442 7 2003109 des tôles d'acier laminées à froid saines et présentant des valeurs élevées de r et de n doivent être prises dans la zone hachurée en diagonale de la figure. La zone hachurée en diagonale de la figure 2 sera dénommée 5 ci-après zone caractéristique de la figure 2. Le carbone a une influence sur l'aptitude à la déformation, ainsi que cela a été dit ci-dessus, et on cherche à ce que sa teneur soit aussi faible que possible. Par conséquent, la teneur en carbone dans la poche est maintenue à une valeur inférieure ou ÎO égale à 0,07 %, Toutefois, du point de vue économique de l'opération d'élaboration de l'acieretdela qualité de surface du produit, la teneur en carbone dans la poche a une valeur supérieure à 0,03%. En vue d'améliorer l'aptitude à la déformation d'un acier effervescent, il est usuel de décarburer l'acier à l'aide d'un dispositif 15 de recuit en bobine ouverte. Mais, c'est une caractéristique du procédé de la présente invention qu'on puisse obtenir une très grande aptitude au formage à la presse sans soumettre l'acier de la présente invention à une telle décarburation. D'autre part, il y a lieu d'observer qu'un acier calmé à 1* 20 aluminiua traditionnel, contient plus de 0,020 % d'aluminium solu-ble à l'acide. Ceci est, naturellement, une quantité trop élevée dans le seul but de rendre la tôle d'acier non sujette au vieillissement par combinaison de l'azote. Toutefois, cette teneur est basée sur l'idée d'accroître 25 simultanément, dans une proportion optimale, la valeur de ? par formation d'A^N. Par conséquent, dans le cas de la présente invention, dans lequel on augmente la valeur de r en équilibrant le manganèse et le soufre, cependant que l'aluminium n'est ajouté qu'en vue d'obtenir le non vieillissement de l'acier, une teneur en 30 aluminium soluble dans le produit, supérieure à 0,010 %test suffisante dans ce but. On décrira ci-après un procédé de mise en oeuvre de la présente invention. Un acier fondu élaboré au convertisseur ou dans un four 35 Siemens-Martin et présentant à la poche une composition telle que la teneur en carbone soit inférieure ou égale à 0,07 % et que les teneurs en manganèse et en soufre se trouvent dans la zone caractéristique de la figure 2, a été coulé par le haut ou en source, afin de le transformer en un acier effervescent. A la coulée, on 40 utilise un peu de grenaille d'aluminium en fonction de l'état de 69 05442 8 2003109 l'effervescence. Après obtention de la couche solidifiée désiré- bouche effervescente), on ajoute de l'aluminium à l'acier en fusion dans la lingotière, de manière que la teneur en aluminium soluble de l'acier en fusion soit supérieure à 0,02 % et l'acier 5 en fusion se solidifiee On réalise une tôle d'acier laminée à frorlô à partir de cet acier, en passant par les opérations respectives de blooming, de laminage à chaud, de laminage à froid et de reçoit selon un procédé traditionnel. Autrement dit, on le lamine à cfcai-c jusqu'à une température supérieure au point de transformation Ar r 10 on le lamine à froid avec un taux de réduction compris dans la gamme allant de 50 à 90 % et on le recuit ensuite à une tempéra supérieure à la température de recristallisation. Dans le cas de l'élaboration de l'acier selon la présents invention,on ajoute l'aluminium après que la couche superficiel;.! 15 effervescente désirée ait été obtenue quand on élabore un acier effervescent en partant de l'acier en fusion, ce qui a pour buî c-éviter la formation de tout défaut ou soufflure de surface sous „ effet de la ségrégation partiélle de l'alumine près de la peau du lingot, au moyen de la couche effervescente saine qu'on obtie^ : 20 d'abord en ayant,comme décrit ci-dessus, une teneur en manganèse inférieure ou égale à 0,20 %m La quantité d'aluminium à introduire est différente selon les propriétés de l'acier en fusion, les conditions de coulée s; le temps qu'il faut pour ajouter l'aluminium. Toutefois, dans 25 cas où l'aluminium soluble est dans la proportion de 0,02 iî est nécessaire d'introduire plus de 0,7 kg d'aluminium par ton . Le temps qu'il faut pour introduire l'aluminium varie légèremeE suivant le procédé de coulée, c'est-à-dire suivant que la coulés se fait par le dessus ou en source, ainsi que du débit de coulés^ 30 mais on le détermine en général en tenant compte à la fois de Ie épaisseur de la couche effervescente nécessaire lors du laminags du lingot et de la remise en flottation des impuretés de la sérivji de 1'alumine. En ce qui concerne la quantité d'aluminium à introduire et 35 le temps qu'il faut pour l'introduire, ces caractéristiques ne sont pas spécifiées d'une manière particulière dans la présente invention, parce qu'elles sont fortement influencées par les con® ditions de travail. Le produit ainsi élaboré contient du carbone dans la ganHaa 40 de 0,06 à 0,02 %, du manganèse et du soufre dans des gammes seïisi« bad original 69 05442 2003109 bleraent non modifiées,, mais avec toutefois un rapport Mn/S supérieur à 7, c'est-à-dire dans la zone caractéristique de la figure 2. Par conséquent, on parvient par ce moyen au but recherché. Même si la teneur en carbone est inférieure à 0,02 %t on ne peut obtenir 5 une amélioration de la qualité du produit. Par conséquent, pour des raisons économiques la teneur en carbone peut être supérieure à 0,02 EXEMPLE: 9 tonnes d'acier fondu à 0,00 % de carbone, 0,14 Ta de manga-10 nèsa et 0,010 % de soufre élaborées au convertisseur ont été coulées en source dans une lingotière plate grande base en bas et on y a ajouté, immédiatement avant l'achèvement de la coulée, 0,9 kg/ tonne d'aluminium de manière à obtenir un lingot. Le lingot a été laminé à chaud, a été ensuite laminé à froid jusqu'à une épaisseur 15 de 0,8 mm avec un taux de réduction de 68 % et a été recuit pendant cinq heures à 710°C pour donner une tôle d'acier laminée à froid contenant 0,050 % de carbone, 0,14 % de manganèse, 0,01 % de soufre, 0,038 % d'aluminium soluble à l'acide et 0,G14 % de phosphore, le reste étant du fer et des impuretés. Les résultats 20 d'essai de surface et d'aptitude au formage dans ce cas, comparés avac ceux dans le cas du procédé traditionnel,sont donnés dans le tableau 1. Le procédé traditionnel était dans ce cas un traitement d'un acier effervescent stabilisé contenant 0,07 fS de carbone, 0,31 % de manganèse et 0,015 % de soufre par le même procédé que 25 mentionné ci-dessus. Les résultats obtenus avec le procédé de la présente invention apparaissent clairement à l'examen de la comparaison ci-après. Tableau 1 Résultat d'un essai de surface et de l'aptitude au formage sur une tôle 30 d'acier conforme à l'invention. 35 Procédé Bandes en rubans Aptidude Valeur r au formage Valeur n Conforme à 1'invention 0,6 % 2,0 0,29 Tradi tionnel 9,4 % 1,6 0,24 Pour les références du Mémoire Descriptif envoyant au* Fig. 3 et 4, la PLANCHE III - 3 déposée au dossier peut être consultée à 1' I.N.P.I. bad original 69 05442 ÎO 2003109 REVENDICATIONS 1.» Une tôle d'acier laminée à froid présentant une aptitude élevée au formage à froid caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir d'un acier comportant une couche de surface effervescente 5 et une partie de noyau calmée à l'aluminium au moment de la coulée en lingotière et contenant en poids 0,02 à 0,06 % de carbone, 0,04 à 0,20 % de manganèse , 0,004 à 0,020 % de soufre, le rapport Mn/S étant supérieur à 7, et plus de 0,010 % d'aluminium soluble à 1* acide, le reste étant du fer et des impuretés. 10 2.- Un procédé pour la fabrication de tôles d'acier laminées à froid présentant une aptitude élevée au formage à froid caracté» risé en ce que l*on coule en lingotière un acier fondu élaboré au convertisseur ou au four Siemens-Martin, le dit acier présentant une teneur en carbone inférieure ou égale à 0,07 % et des teneurs 15 en manganèse et soufre dans la zone caractéristique de la figure 2, le reste étant du fer et des impuretés, on ajoute de l'aluminium immédiatement ou quelques minutes après la coulée de manière que la teneur en aluminium soluble à 1 *acide restant dans l*acier fen« du après la coulée soit supérieure à 0,010 %t pour obtenir un lin-20 got, et on soumet le lingot à un laminage à chaud, à un laminage à froid, à une recristallisation et à un revenu. bad original