Brevet FR2043545A1 — publié le 19710219

La présente invention concerne un acier doux à faible teneur en carbone de type amélioré ainsi que la production de tôles ou de feuillard à partir de cet acier, possédant des propriétés améliorées de profilage à froid, cette tôle ou feuillard étant également avantageux pour l'émaillage au four et pour d'autres opérations qui exigent Un traitement thermi que du même genre. Les propriétés exigées pour le profilage à froid sont différentes de celles nécessaires pour l'émaillage au four. Âinsi,et comme on le verra plus loin, les principales proprié tés exigées pour le profilage à froid sont une faible limite élastique, un taux élevé d'écrouissage, l'absence de vieillis sement, une valeur moyenne élevVee/dPeP9éformation sous charge et des faibles valeurs de variation du rapport de déformation sous charge dans le plan de la tôle. D'autre part, pour l'émaillage au four, la-tôle doit avantageusement posséder une résistance élevée à l'affaissement et à la déformation aux températures d'émaillage, une faible teneur en carbone libre à la surface et une résistance suffisante à la croissance desgrainsaprès le profilage et l'émaillage. Plus précisément, le profilage à froid d'une t8le impli que deux types principaux de déformation plastique, à savoir le profilage par extension et l'emboutissage profond, les va leurs relatives de l'extension et de l'emboutissage pouvant varier entre de larges limites en fonction de divers facteurs tels que le profil final désiré, la construction de la matrice, les pressions de matriçage et le graissage. l'extension se produit lorsque la tôle, tout en étant solidement maintenue, est bombée sous l'action ILun poinçon, alors que l'emboutissage se produit lorsque le matériau, sous une légère pression de maintien, est soumis à l'extension tout en subissant une compression latérale. En conséquence, les propriétés requises pour l'extension ne sont pas les mêmes que celles exigées pour l'emboutissage, étant donné que dans le premier cas, un écrouissage poussé est souhaitable pour la simple raison que l'écrouissage tend à répartir les contraintes d'une manière plus uniforme et à em pêcher une déformation excessive localisée. Pour mesurer l'écrouissage d'une tôle d'acier, on utilise le paramètre n dans 1'équation suivante qui établit le rapport entre la contrainte et la déformation au cours d'un essai de traction # = K#m équation dans laquelle a représente la contrainte vraie, E représente la déformation vraie, K est une constante et n représente le coefficient d'écrouissage. D'autre part, pour un emboutissage profond, la principale propriété exigée est l'aptitude du matériau à résister à la déformation dans le sens de son épaisseur. Cette propriété est mesurée par le rapport "r" (appelé rapport de déformation plastique) entre les déformations en largeur et en épaisseur à la suite d'un essai de traction, c'est-à-dire que r = E largeur E épaisseur Le rapport de déformation plastique dans le plan de la tôle est en général différent quand on le mesure dans des directions différentes et il est donc usuel de mesurer ce paramètre dans le sens du laminage ou sens longitudinal de la tôle (ro), dans le sens transversal (r90) et aussi à 450 d'incli nuaison par rapport au sens de laminage (r45). La valeur moyenne de déformation sous charge, rn, de la tôle est donc déterminée par l'équation rn = ro + 2r45 + r90 4 Des valeurs élevées de rn facàlitent I'emboutssage profond sans fracture et sont donc recommandées por des opéra tions de profilage à r0 +rnr5ciî;90nt l'emboutissage froid. Ta sans variation de la donc déformation sous charge des le plan éformation sous charge dans le plan de la feuille est désignée par # r et on la définit norma- lement par l'équation : #r = ro + r90 - 2r45 Ce paramètre Ar est en rapport avec la tendance à la formation "d'oreilles" sur la lèvre de la cuvette emboutie, de sorte qu'une faible valeur de Ar est souhaitable. Les propriétés avantageuses pour une bonne aptitude au profilage sont des valeurs élevées de n et r n et une faible valeur de A ; ces critères ont été confirmés par un programme expérimental effectué par"U.S.A. Committee of The Inter national Deep Drawing Research Group"et sont décrits dans un article par D. J.Blickwede paru dans le volume 61, 1968, de '!ransactions of the Mnerican Society of Metals."Ce programme comporte des essais sur 1000 emboutissages de tôles d'acier avec des valeurs variables de r n et Parmi les autres propriétés qui sont importantes pour un profilage à froid efficace,-il convient de mentionner une faible limite élastique, ce qui permet d'atilisèr des pressions légères de maintien en position sans provoquer de plissements et de flambage, alors que Si des pressions élevées sont nécessaires pour le maintien, l'écoulement du métal est partiellement entravé et il est donc indispensable que la ductilité soit plus élevée. De même, une limite élastique nettement prononcée ntest pas souhaitable car des zones formées sous Une plus faible pression pendant l'emboutissage d'une tôle d'acier ayant^une limite élastique nettement définie tendent à faire apparattre des marques superficielles qui détériorent l'aspect du produit. Bien qu'une limite élastique nettement prononcée puisse être facilement supprimée par Un laminage de revenu, cette propriété tend à se rétablir, lorsque l'acier n'est pas stabilisé, à la suite d'un vieillissement de contrainte pendant uncertain laps de temps, de sorte que le réglage du vieillissement paS contrainte est également souhaitable. Comme on l'a déjà dit, une tôle d'acier destinée à 1'é- maillage au four doit résister à l'affaissement et à la déformation à la température et au-dessous de la température d'émaillage qui est d'environ 8150C. Dans oe but, la température à laquelle l'acier subit un changement de phase, avec formation d'austénite à température élevée, doit être plus élevée que la température d'émaillage, car ce changement-de phase s'accompagne d1un changement nuisible du volume qui peut provoquer l'affaissement et la déformation. De même, les aciers décarbures usuels que l'on utilise tendent couramment pour ltémaillage/3 êwefortement affaiblis après un profilage léger et l'émaillage qui lui fait suite, par le fait de la croissance de gros grains, ce qui peut résulter en un écaillage lorsque les produits sont soumis à des charges. En conséquence, la résistance à la croissance de grains est également une propriété souhaitable dans une telle application. Certains autres aciers que l'on utilise également pour l'émaillage ne sont pas sujets aux inconvéntents précités des aciers décarburés usuels, mais ces autres aciers présentent, le plus souvent, d'autres inconvénients d'un type ou d'un autre, par exemple un rendement plus faible de production de lingots dans le cas d'aciers stabilisés au titane. a conséquence, l'invention a pour but principal de réaliser des aciers doux, à faible teneur en carbone, de qualité améliorée et qui conviennent, entre aUtres, pour la fabrication de tôles laminées à froid possédant des propriétés avantageuses pour le profilage à froid, pour l'émaillage au four ou pour d'autres applications du même type. L'invention vise également à fournir des procédés pour la production de tôles laminées à froid à partir d'aciers dont les compositions vont être décrites par la suite. Les toles d'acier pour emboutissage que l'on utilise le plus couramment à l1heure actuelle ne contiennent pas plus de 0,08% de carbone, de 0,15% à O,6O%de manganèse, le complément étant du fer sauf certaines impuretés inévitables. Les pour centages ci-dessus1ainsi que tous les autres pourcentages -dans la suite du présent mémoire sont en poids. La Demanderesse a découvert que si lton ajoute aux aciers des qualités normales indiquées une faible proportion de nio- boum, on aboutit à Une très grande amélioration des propriétés de profilage à froid de l'acier et l'acier ainsi obtenu possède des propriétés qui permettent son utilisation pour l'émail- lage au four et pour d'aUtres applications du même type. En conséquence, l'acier doux à faible teneur en carbone, selon l'invention, contient essentiellement de 0,02-à 0,08% de carbone, de 0,15 à 0,60%de manganèse et de 0,05 à 0.30% de niobium, le complément étant du fer sauf en ce qui concerne les impuretés accidentelles Le rapport min;uaum des pourcentages de niobrum aux pourcentages de carbone n'est pas, de préférence, inférieur à 3, bien que des valeurs plus basses ne songent pas exclues, et-pour certat- nes utilisations dont il sera question plus loin, la différence entre le pourcentage de carbone et un huitième du pourcentage de niobium ne dépasse pas avantageusement 0,01. Plus précisément la teneur en carbone est de préférence de 0,025% à 0,05%, la teneur en niobium n'est pas inférieure à 0,075 et la teneur en manganèse est de 0,30à 0,45%. On envisage également d'incorporer, de façon facultative, dans les aciers au niobium selon l'invention, Un ou plusieurs des éléments d'alliage suivants, dans les intervalles indiqués, car on sait que ces éléments sont compatibles avec les aciers laminés à froid et améliorent leurs propriétés de profilage :: Vanadium Pas plus de 0,15% Bore If 0,20% Cuivre " " 0,50% Chrome " " 0,40% Antimoine " " 0X10/o Bismuth lf " 0,10% Plomb " " 0s10% Phosphore " " 0,08% L'invention a également pour objet la production, à partir d'un acier doux à faible teneur en carbone ayant la composition indiquée, par des procédés classiques ou appropriés d'une t81e laminée à froid et recuite. Pour élaborer l'acier selon l'invention, on peut utiliser un four de type approprié quelconque et on coule ensuite cet acier pour former des lingots en acier effervescent oW en acier semi-calmé ; en variante, on peut couler l'acier en continu par une technique appropriée quelconque et introduire les éléments d'alliage à un stade commode du procédé. On peut exécuter le laminage à chaud par des processus classiques et pour obtenir des propriétés optimales, la température finale doit être supérieure à 8000C et la température d'enroulement doit être de plus de 6t00C. Après cela, on lamine à froid la tôle par une technique usuelle et on réalise, de préférence, une réduction d'environ 60 à 80%, ce laminage étant suivi d'un recuit final que l'on exécute également d'une façon connue, par exemple par la technique de recuit en discontinu à Une température maximum d'environ 7000C,ou une technique de recuit continu à une température de 700 à 1000 C, cette opération pouvant être éventuellement combinée avec un traitement de revêtement continu, par exemple par galvanisation ou placage. Le recuit final ne doit pas être obligatoirement effectué dans des conditions de décarburation, à moins que la teneur en carbnesoit supérieure à 0,056 et, pour des raisons d'éco- nomie, la décarburation n'est pas souhaitable.Cependant, si la teneur en carbone dépasse 0,05%, la limite élastique risque être trop élevée pour certaines applications et on peut alors procéder à une décarburation de l'acier jusqu'à une teneur en carbone comprise entre- 0,02 et 0,05%. Quand la décarburation est nécessaire, on peut l'effectuer par la voie usuelle, c'est-à-dire en exécutant le recuit final dans une atmosphère non oxydante renfermant de l'hydrogène et de -l1hu- midité, à une température de 700 à 10000C. I1 semble que le niobium se combine, en totalité ou en partie, avec le carbone et l'azote de sorte que ces derniers sont extraits entièrement ou partiellement de la solution, ce qui a pour effet de réduire la limite élastique , la limite élastique n'est pas aussi marquée, le taux d'écrouis- sage augmente et le vieillissement sous contrainte est à peu près entièrement éliminé. Gracie à l'absence d'une limite élastique marquée et du vieillissement sous contrainte, le laminage de revenu peut être inutile. Les particules contenant du niobium forment des grains plus fins qu'il n'est usuel dans les aciers pour emboutissage, mais cette caractéristique ne constitue pas un inconvénient par suite de la réduction ou de l'élimination pratique du carbone et de l'azote libres, et on a constaté que les fables valeurs de limite élastique qu'on obtient avec les aciers au niobium selon l'invention ne subissent pas de répercussion notable de la grosseur des grains. De même, les effets d'un froissement superficiel qu'on appelle parfois "effet de pelure d'orange" t qui existent parfois sur des aciers emboutis Usuels du fait de grains trop grossiers, ne se produisent pas dans ce cas. Comme on le verra plus loin, les tôles laminées à froid en aciers au niobium selon l'invention possèdent des valeurs rm et r45 plus élevées, des valeurs "r plus basses et des limites élastiques plus basses que les aciers d'emboUtissage usuels et ces tôles conviennent donc remarquablement pour des opérations de profilage à froid. Du fait de la présence du niobium et de son action d'éli mination du carbone de la solution, la température de la transformation en phase austénitique augmente de sorte que la résis tance à l'affaissement, aux températures usuelles dtémail- lage d'environ 815 C augmente. Ainsi le même acier convient pour l'émaillage au four, en particulier pour un émaillage d'une seule couche- et surtout lorsque la teneur en carbone libre est réduite à 0,01% ou au-dessous de ce chiffre. Dans ce but, la composition doit être telle que %C- /b/8 ne dépasse pas 0,01. On empêche ou on retarde la croissance critique des grains dans les aciers au niobium par la présence de particules contenant du niobium qui empêchent les mouvements des périphéries des grains. Bien qu'on ne comprenne pas entièrement l'action du niobium pour augmenter la valeur rn, on pense que la présence de particules fines renfermant du niobium peut modifier l'orientation des grains pendant le laminage à froid de man9è- re à obtenir des valeurs accrues de r45 après recuit. Cependant, la présence du niobium et l'absence pratique de carbone et d'azote dans la solution peuvent être également des facteurs notables. Le tableau I ci-après indique les compositions de quatre aciers au niobium selon l'invention et de trois aciers usuels pour emboutissage. rapport Le tableau II ci-après indique les résultats des essais de/ de déformation sous charge et d'écrouissage exécutés sur des tales laminées à froid qui ont été fabriquées avec les sept aciers indiqués dans le tableau I. On lamine à chaud chacun de ces aciers jusqu'à une épaisseur dè 2,54 à 3,05 mm puis on lamine à froid à 70% pour aboutir à une épaisseur de 0,76 à 0,91 ma et finalement (sauf en ce qui concerne l'acier N06) on effectue un recuit à 700 C pendant 24 heures en atmosphère inerte.En ce qui concerne l'acier N06, on le soumet à Un recuit avec décarburation en atmosphère humide contenant de l'azote. (Voir les tableaux I et II page 8). TABLEAU I Composition des aciers Aciers au niobium Aciers classiques selon l'invention pour emboutissage Numéro 1 2 3 4 5 6 7 Type Nb Nb Nb Nb efferv. décarb. Al d'acier normal normal calmé % C 0,047 0,025 0,029 0,044 0,06 0,002 0,05 % Mn 0,35 0,35 0,35 0,35 0,37 0,37 0,30 56 Nb 0,178 0,094 0,185 0,31 - - 56 S 0,012 0,014 0,012 0,012 0,019 0,019 0,022 % P 0,007 0,008 0,007 0,007 0,008 0,008 0,014 % N 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 % Al " - - - - - 0,045 Nb/C 3,79 3,76 6,34 7,0 - - - O/o C libre c - Nb/8 0,025 0,013 0,006 0,004 - - - TABLEAU II Acier Limite Résistance Ecrouis- Déformation sous Vieillis. NO élast à la rapt. sage charge sous kg/mm par tract. n ro r45 r90 r n #r contrain- kg/mm2 0 r45 r90 te (%) 1 16,22 34,8 0,242 1,381,811,931,73-0,15 0 2 13,23 31,52 0,263 1,43 1,-631,851,64 0,01 0 3 15,9 34,94 0,250 1,42 1,851,951,77-0,16 o 4 14,96 34,94 0,230 1,36 1,83 1,86 1,72 -0522 0 5 25,2 35,11 0,233 0,91 1,02 1,72 1,17 0,30 18 6 18,27 27,72 0,224 1,19 1,061,821,28 0,45 13 7 22,84 32,1 0,228 1,88 1,18 2,31 1,64 0,92 0 On remarquera que la variation #r dans les différentes aciers au niobium selon l'invention est toujours notablement plus faible que dans les trois aciers classiques pour emboutissage et aussi que chacun des aciers selon l'invention présente une valeur r n bien plus élevée que les aciers classiques effervescents et décarburés (ctest-à-dire les éprouvettes NO 5 et 6 respectivement). La valeur r n de l'acier calmé à l'aluminium (éprouvette N 7) est de 1,64, c'est-à-dire qu' elle est -la même que pour l'acier au niobium N 2, mais alors que la valeur br de ce dernier est de 0,01, elle est de 0,92 pour l'acier calmé à l'aluminium. La figure unique du dessin annexé représente, en super position, les paramètres port de /depformation sous charge des aciers aU niobium N 1 et 2 et des trois aciers classiques N 5, 6 et 7 (Tableaux I et II) ; les diagrammes pour les aciers au niobium sont indiqués en trait plein alors que pour les aciers classiques, on a utilisé des traits mixtes. On n'a pas porté les indications concernant les aciers au niobium N 3 et 4 pour éviter de surcharger la figure.Ce schéma composite fait ressortir clairement l'effet du niobium sur l'augmentation des valeurs r45, ce qu5 constitue le principal facteur pour obtenir des valeurs élevées r n et des faibles valeurs Ar Pour comparer les résistances d'un acier au niobium et d'un acier décarburé usuel après profilage et émaillage, on soumet des éprouvettes de tôles N 3 et 6 (dans les tableaux) à un essai d'allongement en traction de valeurs différentes et on chauffe à 8150C pour simuler la cuisson d'émaillage. Le tableau III ai-après indique les résistances comparatives de ces aciers après ce traitement. TABLEAU III Acier N Limite Limite Limite Limite élastique, élastique, élastique; élastique; sans pré- 456 de pré- 1056 de pre- 18% de pre contrainte contrainte contrainte contrainte (kg/mm2) (kg/mm2) (kg/mm ) (kg/mm2) 3 Nb 31,64 31,02 32,9 32,7 6 décarb. 8,98 7,09 7,09 8,19 L'augmentation de la limite élastique de l'acier au niobium N03 à partir de sa valeur initiale de 15,9 kg/mm2 (tableau II) est évidente, aussi bien sans précontrainte qu'avec précontrainte. Ainsi l'acier est doux et facile à profiler avant l'émaillage, mais il devient un acier résistant du fait du Ou des traitements thermiques qutil subit péndant l'émaillage. En conséquence, non seulement les aciers au niobium selon l'invention possèdent des propriétés améliorées pour le profilage à froid,mais ils sont également efficaces pour l'émaillage au four et pour d'autres usages qUi nécessitent des traitements thermiques à des températures du même ordre. RE'TENDICATION 1. Acier doux à faible teneur en carbone, caractérisé en ce qu'il comprend essentSgellement, en poids, de 0,02 à 0,08% de carbone, de 0,15 à 0,60% de manganèse et de 0,05 à 0,30% de niobium, le complément étant du fer plus les impuretés accidentelles. 2. Acier doux à faible teneur en carbone, caractérisé ce qu'il comprend essentiellement, en poids, 0,02 à 0,0856 de carbone, 0,15 à 0,6056 de manganèse, 0,05 à 0,3Q% de niobium, au moins l1un des éléments d'alliage choisis dans le groupe comprenant le vanadium (pas plus de 0,1556), l'antimoine (pas plus de 0,1%), le bore (pas plus de 0,20% le bismuth (pas plus de 0,1%), le cuivre (pas plus de 0,505 le plomb (pas plus de 0,1%), le chrome (pas plus de 0,40% et le phosphore (pas plus de 0,08%), chacun de ces éléments étant présent en une quantité qui ne dépasse pas le maximum indiqué, le complément étant du fer et les impuretés accidentelles. 3. Acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la teneur en carbone est de 0,025 à 0,05% et la teneur en niobium n'est pas inférieure à 0,075%. 4. Acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport entre les pourcentages de niobium et de carbone n'est pas inférieur à 3. 5. Acier selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la différence entre le pourcentage du carbone et le huitième du pourcentage de niobium ne dépasse pas 0,01. 6. Procédé de fabrication d'une tôle d'acier laminée à froid, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer un acier doux à faible teneur en carbone ayant Une composition telle que spécifié dans la revendication 1 ou la revendication 2, à effectuer successivement un laminage à chaud, un laminage à froid et un recuit de cet acier de façon à obtenir une tôle laminée à froid et recuite qui ne contient pas moins de 0,0256 de carbone. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tôle laminée à froid et recuite contient de 0,025 à 0,0556 de carbone et de 0,075 à 0,30% de niobium. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le rapport entre les pourcentages de niobium et de carbone Rans la tôle laminée à froid et recuite n'est pas inférieur à 3. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la différence entre le pourcentage du carbone et un huitième du pourcentage du niobium dans la tôle laminée à froid et recuite ne dépasse pas 0,01. lO. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu t on exécute le recuit dans des conditions non décarburantes. 11. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la température finale du laminage à chaud est supérieure à 800du, et en ce qu'on enroule l'acier laminé a chaud à une température supérieure à 6000C. 12. Tôle en acier doux à faible teneur en carbone, laminée à froid, produite par le procédé selon lune quelconque des revendications 6 à 11.