Brevet FR2003110A1 — publié le 19691107

î 2003110 la présente invention concerne un procédé pour produire des tôles d'acier laminées à froid présentant peu de défauts ou soufflures de surface et une haute aptitude au formage à froid(ce qui désigne dans la présente invention une aptitude à l'emboutis-5 sage profond et à l'extrusion). Au cours du formage d'une tôle d'acier laminée à froid par xuie opération à la presse, il est nécessaire que la tôle d'acier présente, en fonction de l'utilisation, une haute aptitude à l'emboutissage profond et à lrextrusion. 10 Lors de la production d'un lingot à partir d'acier fondu au cours de la fabrication d'une tôle d'acier• laminée à froid, l'acier est classé en général, du point de vue métallurgique, en acier calmé, semi—calmé ou acier effervescent, en fonction de son état de désoxydation. L'acier calmé est un acier qui a été complè-15 tement désoxydé et il présente des caractéristiques excellentes, mais il a le défaut d'être coûteux,, D'autre part, l'acier effervescent laisse beaucoup d'oxygène dans l'acier fondu, de sorte que celui-ci peut se combiner avec le carbone qui est présent simultanément dans l'acier fondu et l'effervescence peut provoquer 20 un dégagement de gaz carbonique dans la lingotière. L'acier effervescent est inférieur, en ce qui concerne les propriétés, à l'acier calmé mais il est si bon marché qu'il est utilisé en grandes quantitéso De plus, l'acier dans lequel une partie de l'effervescence 25 est contrôlée mécaniquement ou chimiquement est appelé acier' à effervescence interrompue et il suit l'acier effervescent en ce qui concerne les propriétés et les prix. Afin d'activer l'effervescence et pour obtenir une couche superficielle dite effervescente saine, on considère comme désirable que l'acier fondu 30 contienne 0,07 à 0,10# de carbone. D'autre part, le carbone est un élément néfaste en ce qui concerne l'aptitude à la déformation à froid du produit et, à ce point de vue, il est souhaitable que sa teneur soit très faible-» Cependant, si la teneur en carbone de l'acier fondu est 35 abaissée à moins de 0,07#, l'effervescence est faible et de nombreuses petites bulles restent dans le lingot, comme on le voit dans la photographie de la figure 2 qui correspond à un acier à Q055# de carbone, 0,30# de manganèse et 0,017# de soufre, ce par quoi le caractère sain de la couche effervescente est remarqua— 40 blement détérioré# Ces "bulles distribuées au voisinage de la peau 69 05443 2 2003110 du lingot, sont sujettes à une oxydation pendant le chauffage d'homogénéisation ultérieur et ne peuvent être comprimées pour amener leurs faces en contact, ce qui provoque des défauts de surface dans le produit laminé0 5 La présente invention a pour but de résoudre simultanément ces problèmes contradictoires des propriétés de surface et de l'aptitude au formage à froid et elle a pour objet de fournir une tôle d'acier qui soit excellente en ce qui concerne ces deux propriétés# 10 D'autres caractéristiques de la présente invention apparaî tront à la lecture de la description faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels % 3?ig. 1 illustre les influences des quantités absolues et de la combinaison des différentes teneurs en Mn et S dans un 15 acier effervescent et un acier à effervescence interrompue sur les valeurs r et n du produit final ; Figo 2 est une photographie d'un échantillon prélevé en angle sur un lingot en acier effervescent élaboré par un procédé conventionnel avec une teneur en manganèse de 0,30$ ; 20 Fig. 3 est une photographie d'un échantillon prélevé en angle sur un lingot conforme à la présente invention,, La présente invention sera expliquée ci-après plus en détail. On a découvert que, lorsque la teneur en manganèse dans 25 l'acier fondu est abaissée à une valeur qui était inconcevable dans le sens commun dans une tôle d'acier laminée à froid conventionnelle, c'est-à-dire à moins de 0, 2#, pour un matériau qui présente une teneur en poche du carbone si faible qu'elle soit inférieure à 0,07$, teneur qui est favorable au formage à froid 30 du produit, mais est insuffisante pour l'effervescence, le produit étant de ce fait inférieur en ce qui concerne les propriétés de surface, les bulles voisines de la peau du lingot peuvent être réduites de façon remarquables, comme représenté dans la photographie dans la figure 3 (qui correspond à 0,051$ de carbone, 35 0,12$ de manganèse et 0,010$ de soufre), le problème des soufflures de surface dans le produit peut être résolu et l'aptitude au formage à froid"peut être remarquablement amélioré et on a découvert également que,lorsque le manganèse et le soufre sont réglés pour se trouver dans une gamme caractéristique décrite ci-après, 40 dans un matériau qui présente une teneur en carbone en poche 69 05443 3 2003110 aussi élevée que 0,07 à 0,10$, teneur qui est suffisante pour l'effervescence, ne pose aucun problème en ce qui concerne les propriétés de surface -mais est moins bonne en ce qui concerne l'aptitude au formage à froid du produit, lf aptitude au formage 5 à froid peut être rendue très supérieure à celle du produit conventionnel à ce jour. Les aptitudes à l'emboutissage profond et à 1'extrusion d'une tôle d'acier laminée à froid sont représentées habituellement respectivement par une valeur r et une valeur n. 10 la valeur r qui est aussi appelée taux de contrainte plas tique est une caractéristique mécanique représentée par le rapport entre la contrainte dans le sens de la largeur et la contrainte dans le sens de l'épaisseur d'une éprouvette de traction et on sait qu'elle présente une corrélation très favorable avec l'apti-15 tude à l'emboutissage profond d'une tôle métallique, la valeur r est une valeur moyenne des valeurs r dans les différentes directions dans le plan de la tôle,, Plus la valeur r est grande, plus l'aptitude à l'emboutissage profond est élevée. Sa valeur est d'environ 1,3 pour un acier 20 effervescent ordinaire-. la valeur n est aussi appelée indice d'éerouissage et est connue comme ayant une bonne relation avec l'aptitude à 1'extrusion de la tôle métallique. La valeur n correspond à l'indice n dans le cas où la courbe de la tension vraie ($-) en fonction 25 de la fatigue (£ ) obtenue pn l'essai à la tension du matériau est donnée approximativement par la relation o~ = 0t.n (dans laquelle C est une constante) et elle est généralement déterminée par la pente moyenne de la courbe log.cr- log.8 dans la gamme des contraintes allant de 10 à 20$. Plus cette valeur est élevée, 30 plus est grande l'aptitude à"1'extrusion. Elle est d'environ 0,22 pour un acier effervescent ordinaire. La figure 1 représente les relations entre la valeur r et la valeur n avec des teneurs en manganèse et soufre des produits fabriqués pour 45 nuances de lingots d'acier effervescent et 35 d'acier à effervescence interrompue, les dits lingots étant réalisés avec des combinaisons de la teneur en manganèse et de la teneur en soufre dans les gammes de 0,02 à 0,40$ et 0,03 à 0,030$ respectivesnt, avec les autres composants chimiques non modifiés de façon intentionnelle, en soumettant les dits lingots aux 69 05443 4 2003110 opérations suivantes î blooming, laminage à chaud, laminage à froid avec un taux de réduction de 70$ et enfin à tin recuit de recristallisation dans une atmosphère neutre, à 700°Cr pendant 4 heures. On constate de façon nette, d'après ce graphique, que 5 la valeur r et la valeur n sont influencées à la fois par le manganèse et le soufre0 Dans le graphique,la valeur r et la valeur n sont représentées respectivement par des repères rond et carré pour le même matériau. Cependant, dans ce graphique, la position du repère rond indique la position exacte, le repère 10 carré est dessiné latéralement. D'autre part, comme décrit ci-après, sauf si le manganèse est contenu sous une quantité supérieure à 10 fois celle du soufra le matériau est sujet à rupture ou à fissuration en raison du phénomène de la fragilité au rouge pendant le laminage à chaudo 15 La valeur r du matériau donnée dans la partie de la figure 1 correspondant à une faible teneur en manganèse a été obtenue par conversion à partir d'une valeur fournie par mesure sur un --- produit final obtenu par. traitement d'un matériau partiellement fissuré au cours d'un laminage à chaud comme matériau de départ'^ 20 la dite 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 que dans le cas d'un essai mécanique on peut utiliser comme échan-25 tillonmême un matériau partiellement fissuré si on évite les parties fissurées. De plus, on a décrit en détail, par exemple dans la revue intitulée Japan Métal Society Journal, "Volume 29, ÎT° 4» 1965 que la relation entre la valeur mesurée avec les rayons X et la valeur r mesurée par l'effet mécanique est très élevée» Cepen-30 dant, comme la valeur n ne peut être mesurée par un tel procédé, elle n'est pas mentionnée pour l'échantillon soumis à rupture du fait de la fragilité au rougeV D'après les résultats représentés dans la figure 1£ on conclut que l'on doit choisir une teneur en manganèse comprise 35 dans une gamme de 0,04 à 0,20$ (de préférence de 0'i'08 à 0,18$) et une teneur en soufre comprise dans une gamme de 0,004 à 0,020$ (de préférence 0,008 à 0£L8$) si on cherche à atteindre une valeur de r dépassant 1,3 qui est le niveau moyen approximatif de la valeur r pour un acier effervescent ou un acier à effervescence 40 interrompues et une valeur n supérieure à 0,22 qui est le niveau 69 05443 5 2003110 moyen approximatif pour la valeur n des mêmes matériaux, lorsque le manganèse et le soufre ont des teneurs comprises dans ces gamme^ on obtient une valeur ? de 1,3 à 2,0 et une valeur n de 0,26 à 0,32 pour le produite A l'heure actuelle, les aciers 5 conventionnels du même type contiBiient du manganèse et du soufre dans les gammes d'environ 0,30 à 0,40$ et de 0,010 à 0,025$ respectivement et ils présentent ,dans ce cas, une valeur r de 1,1 à 1J,'4 et une valeur n de 0,20 à 0,24, ce qui démontre clairement la supériorité du présent procédé lorsqu'on les compare avec les 10 - valeurs ci-dessus mentionnées de l'acier de la présente invention» D'autre part, dans la métallurgie, il se produit un phénomène dit de fragilité au rouge, phénomène qui donne lieu à une fragilité de l'acier lorsqu'il est laminé à chaud. Ceci est considéré commeprovoqué par le fait que le soufre de l'aeier est déposé 15 en réseau sous forme de sulfure de fer autour d'un cristal initial. Comme contre-mesure pour empêcher ce phénomène, on a largement adopté la pratique d'ajouter du manganèse sous une quantité équivalente à celle du soufre"» Du fait de la ségrégation du soufre dans le lingot, on a 20 procédé empiriquement jusqu'ici à une addition de manganèse sous ■une quantité Mn/S supérieure ou égale à 10, dans le cas d'un acier effervescent ou d'un acier à effervescence interrompue» Ce-pendantï si cette relation devait être appliquée à la gamme optimale de la figure 1, il resterait finalement la partie hachu-25 rée en diagonale» En fait, il est évident d'après ce graphique' que tout échantillon contenant du manganèse et du soufre sous des teneurs correspondant à la zone hachurée présente une aptitude au formage à froid favorable, la zone hachurée avec des lignes diagonales sera appelée zone^caractéristique de la figure 1'» -30 la teneur en carbon^ est rendue inférieure ou égale à 0,10$ dans la composition en poche d'un acier effervescent ou d'un acier à effervescence interrompue usuels. On a déjà effectué plusieurs tentatives pour améliorer l'aptitude au formage à froid en ajoutant un élément spécial à un acier effervescent ordinaire. Toute-35 fois, conformément aux résultats de recherches réalisées dans le cadre de la présente invention, sauf si on effectue un stade de fabrication spécial, l'addition de vanadium et de bore réduit plutôt la valeur de r» En conséquence',' dans le cas où l'acier de la présente invention ne doit pas être sujet au vieillissement, 40 ces éléments ne doivent pas être ajoutés» De plus, afin d'amélio 69 05443 e 2003110 rer l'aptitude à la déformation, il est d'une pratique usuelle d'effectuer un recuit de recristallisation dans une atmoephère décarburanteo Cependant, avec l'acier de la présente invention, il est possible d'obtenir une très bonne aptitude à la déformation 5 même sans effectuer un tel traitement spéciale Ceci est très avantageux en ce qui concerne le coût de production^ Un procédé de mise en oeuvre de la présente invention sera décrit ci-aprèso De l'acier fondu élaboré dans un convertisseur ou un four 10 Siemens-Martin et ayant une composition en poche avec une teneur • en carbone inférieure ou égale à 0,10$ et des teneurs en manganèse et soufre dans la zone caractéristique de la figure 1, est coulé par dessus ou en source pour donner un acier effervescent'» Dans ce cas, il peut être transformé en acier à effervescence 15 interrompue en contrôlant mécaniquement et chimiquement l'effervescence» Une tôle d'acier laminée à froid est préparée à partir du lingot ainsi obtenu respectivement par blooming, laminage à chaud, laminage à froid et recuit de cristallisation, selon le procédé conventionnel.» Ceci signifie qu'il est laminé à chaud à 20 une température au-dessus du point de transformation Ar^, laminé à froid avec un taux de réduction dans une gamme de 50 à 90$, et ensuite soumis à un recuit de recristallisation dans une atmosphère non décarburanteo Exemple : 25 13 tonnes d'acier fondu à 0,07$ de carbone,.0,12$ de man ganèse et 0,009$ de soufre préparées dans un convertisseurenfc été couMes par dessus dans une lingotière plane à grande base en bas pour produire un lingot effervescent ou à effervescence interrompue» Ce lingot a été laminé à chaud, a été ensuite laminé à froid 30 avec réduction de 70$ et a été recuit dans une atmosphère neutre à 700°C pendant 4 heures, pour être transformé en une tôle d'acier laminée à froid de 0,8mm d'épaisseur.» Sa composition chimique était la suivante : dans l'acier effervescent, 0,04$ de carbone, 0,11$ de manganèse, 0^007$ de silicium, 0,009$ de soufre et 0,013$ de 35 phosphore, le reste étant du fer et les impuretés inévitables et", dans l'acier à effervescence interrompue, 0,051$ de carbone, les autres constituants ayant substentiellement les mêmes teneurs que dans l'acier effervescento les résultats des essais de surface et de l'aptitude au formage à froid, dans ce cas, comparés avec 40 ceux obtenus avec le procédé conventionnel, sont représentés dans 69 05443 7 2003110 15 lë tableau# le prooédé conventionnel correspond ici à l'élaboration d'un lingot d'acier effervescent contenant 0,07# cle carbone, 0^33# de manganèse et 0^018# de soufre par le même procédé que mentionné ci-dessus. Par la comparaison ci-après, on constate les résultats du procédé de la présente invention. Résultats des essais de surface et de l'aptitude au formage à froid de tôles d'acier obtenues par le prooédé de l'invention. 10 Procédé ^Résultats des essais de-ï Aptitude au formage à : î surface ; î froid. t Valeur de r.* Valeur de nj Bandes eii rubans Pailles Procédé conven-* .'tionnel Conforme à l'invention 4,: ■* ■ ■: s ï,i 1,7# 0,9# m s i;z 1 0,22 û',8# • • •* « 1,8 : Oi'28 0,6# •* • : 1,9 î 0,27 m (Dans le procédé conforme à l'invention la ligne supérieure correspond aux résultats pour l'acier effervescent et la ligne 20 inférieure à ceux pour l'acier à effervescence interrompue Pour les références du mémoire descriptif renvoyant aux figures 2 et 3 la planche Il/2 déposée au dossier peut être consultée à l'IMPI. 69 05443 8 2003110 REVEND ICA! IONS 1 - Un procédé pour la fabrication de tôles d'acier laminées à froid présentant une aptitude élevée au formage à froid caractérisé par la mise en lingot d'un acier fondu élaboré dans un convertisseur ou un four Siemens-Martin ayant une teneur en 5 carbone inférieure ou égale à 0,10$, une teneur en manganèse inférieure à 0^4$ et une teneur en soufre inférieure à 0,02$, le rapport Mn/S étant supérieur à 10 et le reste étant du fer et des impuretés, sous forme d'un acier effervescent ou à effervescence interrompue, suivie d'un laminage à chaud et d'un laminage à froid 10 du lingot et d'une recristallisation et d'un revenu dans une atmosphère non décarburante'o 2 - Un procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'acier fondu contient de 0,10 à 0,07$ de carbone, Q',04. à 0j20$ de manganèse et 0^004 à 0,020$ de soufre, le rapport 15 Mzv^S étant supérieur à 10 et le reste étant du fer et des impuretés « 3 - Un procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'acier fondu contient moins de 0,070$ de carbone, 0,04 à 0,20$ de manganèse et 0,004 à 0,020$ de soufre,le reste, étant 20 du fer et des impuretés « / {