Brevet FR2117883A1 — publié le 19720728

i 2117883 La présente invention se rapporte à un acier présentant une haute ténacité après laminage à chaud, et d'excellentes propriétés d'usinage à froid et concerne, notamment, un acier ayant une très grande résistance à la traction bien que n'ayant pas subi d'affinage thermique. 5 Au cours de ces dernières années, l'industrie a eu besoin d'un acier pour la fabrication d'automobiles, de véhicules ou de machines. Un tel acier doit avoir diverses propriétés parmi lesquelles des propriétés d'usinage à froid, de ténacité, de soudabilité, etc... De plus, il va de soi qu'un bas prix de revient est un facteur très important pour un tel acier. Toutefois, il n'a pas 10 été facile de produire un acier satisfaisant à toutes ces conditions. C'est ainsi que, par exemple, lorsqu'on utilise un procédé d'affinage thermique connu pour produire cet acier, les propriétés spécifiées peuvent être facilement obtenues. Toutefois, dans ce cas, la productivité est inévitablement très faible et le coût de fabrication du produit est élevé. Néanmoins, on peut éviter les 15 inconvénients ci-dessus en adoptant pour fabriquer cet acier, un procédé connu de laminage à chaud continu qui convient bien pour la production de masse. Mais, comme l'on sait, d'autres défauts apparaissent alors dans la bande fabriquée par ce procédé. Le premier défaut est que les propriétés d'usinage à froid deviennent plus mauvaises à mesure que la résistance à la traction augmente. 2 20 Dans cet acier, la résistance à la traction doit être supérieure à 60 kg/mm 2 ou bien, la limite élastique doit être supérieure à 45 kg/mm , et dans ces conditions, les propriétés d'usinage à froid dudit acier sont médiocres. Le second défaut est que 1'anisotropie de l'indice de résilience augmente considérablement avec cette résistance. Ceci résulte du fait que la tendance fondamen-25 taie selon laquelle l'indice de résilience suivant la direction C, c'est-à-dire suivant la largeur, est inférieur à l'indice de résilience suivant la direction L, c'est-à-dire la direction de laminage, augmente avec la résistance. En conséquence, on comprend aisément qu'il est très difficile, dans l'état actuel de la technique, de produire un acier satisfaisant à toutes les conditions énoncées 30 ci-dessus. L'invention a été développée pour remédier à cet état de choses et se propose d'apporter un acier satisfaisant auxdites exigences. Les particularités de l'invention résident dans la coexistence de 0,907, à 1,507» Mn, 0,005% à 0,107, Nb, 0,057= à. 0,157» Zr et 0,0057= à 0,107= Al en tant qu'éléments principaux. 35 Grâce à une telle coexistence, toutes les propriétés recherchées de résistance, de résilience et d'usinage à froid qui étaient considérées comme contradictoires par la technique antérieure peuvent être réunies sans avoir recours à un procédé d'affinage thermique quelconque. En conséquence, l'un des buts de l'invention est de fournir un acier laminé 40 à chaud à haute ténacité, cette grande résistance à la traction étant jointe eoFf 71 42695 2 2117883 à d'excellentes propriétés d'usinage à froid. Un autre but de l'invention est d'apporter un acier laminé à chaud à haute ténacité, cette grande résistance à la traction étant jointe à des propriétés de résilience de faible anisotropie. 5 L'invention se propose également d'apporter un acier laminé à chaud à haute ténacité ayant de bonnes propriétés d'usinage jointes à d'autres propriétés avantageuses. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitait) tif, en référence au dessin annexé, dans lequel : - la figure 1 est un diagramme montrant, pour comparaison, la relation entre la résistance à la traction et l'allongement des encoches pour un acier conforme à l'invention et pour dés aciers connus; - la figure 2 est une vue schématique de l'éprouvette utilisée dans les 15 expériences; et, - la figure 3 est un diagramme montrant le taux d'absorption de l'énergie par l'acier de l'invention, comparativement à un acier connu. L'acier selon l'invention a la composition suivante : C : 0,03 à 0,15 7o Si : 0,05 à 0,50 7o Mn : 0,80 à 1,50 7o Nb : 0,005 à 0,10 7= Zr : 0,05 à 0,15 7o Al : 0,005 à 0,10 7o - 25 II contient aussi des impuretés inévitables, le reste étant du fer. Les limites de chacun des éléments chimiques ci-dessus ont été fixées pour les raisons suivantes : C : quand la teneur en carbone est supérieure à 0,15 %, les propriétés d'usinage à froid sont sensiblement détériorées dans le cas où la résistance 2 30 à la traction dépasse 60 kg/mm . D'autre part, une teneur en carbone inférieure à 0,037, est difficile à obtenir dans les conditions habituelles de production de l'acier et se traduit par une élévation du coût de fabrication. Si : 0,05 à 0,507», ceci est la plage habituelle d'utilisation du silicium comme agent de désoxydation. 35 Mn et Nb : ces deux éléments■sont des agents qui élèvent la résistance à la traction et la limite élastique. Quand ces éléments coexistent, il est possible de donner à l'acier la résistance nécessaire. Pour cette raison, la limite inférieure est 0,80 % Mn et 0,005 % Nb. Si l'on ajoute plus de 1,5 °L Mn et plus de 0,10 % Nb, l'équilibre entre la résistance et les propriétés d'usi- 40 nage à froid est rompu et le coût de fabrication augmente. En conséquence, le 71 42695 3 2117883 but de l'invention ne peut pas être atteint. Zr : le zirconium constitue un agent de stabilisation pour les sulfures en se combinant avec le soufre contenu dans l'acier. Cette propriété du zirconium est très efficace pour améliorer les propriétés d'usinage à froid. Une 5 proportion de Zr inférieure à 0,05 % est insuffisante pour améliorer ces propriétés. Par contre, une proportion de Zr supérieure à 0,15 % affecte la pureté de l'acier et, par conséquent, détériore les propriétés mentionnées ci-dessus. Al : on ajoute de l'aluminium comme agent d'oxydation. Les inclusions à 10 base de silice qui sont nuisibles aux propriétés d'usinage à froid disparaissent avec l'addition de l'aluminium. En conséquence, l'acier doit contenir, au moins, 0,005 % d'aluminium. Quand la teneur en aluminium est supérieure à 0,10 %, la fluidité de l'acier liquide est affectée et le coût de fabrication augmente. 15 La teneur en soufre de l'acier est ce qu'elle est, c'est-à-dire que celui- ci est présent en tant qu'impureté inévitable. Toutefois, une teneur en soufre inférieure à 0,010 % est souhaitable lorsque l'acier est appelé à subir un usinage à froid sévère. Cette teneur en soufre est aussi l'une des particularités de l'acier de l'invention. 20 L'acier de l'invention ayant la composition chimique indiquée ci-dessus est tel qu'il sort du laminage à chaud et n'a pas besoin d'être traité par un procédé d'affinage thermique quelconque, par exemple n'a pas" besoin de subir de trempe ni de revenu, ni de traitement semblable après le laminage. De nombreuses expériences ont confirmé que les buts de l'invention indiqués ci-dessus sont 25 complètement atteints. En premier lieu, en ce qui concerne les propriétés d'usinage à froid, il convient de se référer à la figure 1. L'éprouvette utilisée pour ces essais d'usinage à froid est représentée sur la figure 2; elle a une longueur de 50 mm et des encoches en V de 2mm. En mesurant l'allongement de ces encoches, on est renseigné sur les propriétés d'usinage à froid réelles de 30 l'acier, c'est-à-dire sur ses propriétés de mise en forme par allongement et flexion. En considérant la figure 1, on voit que l'allongement des encoches d'une éprouvette de l'invention est très supérieur à celui d'une éprouvette faite d'un acier connu. Dans ce cas, la base du jugement pour cette propriété d'usinage à froid réside dans un allongement de l'encoche de 6 % à une résis- 2 35 tance à la traction de 60 kg/mm . En se basant sur ce critère, l'excellence des propriétés d'usinage à froid de l'acier selon l'invention devient encore plus évidente. En effet, même quand cette résistance à la traction est supé-2 rieure à 70 kg/mm , l'allongement des encoches reste supérieur a 6 %. Par contre, cet allongement est inférieur à 6 °L dans la grande majorité des cas des aciers 2 40 antérieurs, même lorsque la résistance à la traction est de 60 kg/mm , de sorte 71 42695 4 2117883 ceux-ci ne conviennent pas poire 1^5 applications mentionnées. En second lieu, 1'anisotro^io de l'indice de résilience de l'acier de l'invention est indiquée sur la figura 3, en comparaison avec celle de l'acier antérieur. Cette anisotropie est représentée par le rapport de l'énergie ab-5 sorbée à 0°C dans la direction C/ énergie absorbée à 0°C dans la direction L. Selon la figure 3, on voit clairement que ce rapport est très supérieur dans l'acier de l'invention à celui de l'acier antérieur. En effet, ce rapport se situe entre environ 0,45 et environ 0,85 pour l'acier de l'invention, alors qu'il est d'environ 2,5 à environ 4 pour l'acier antérieur. Il est à noter que 10 cette amélioration de 1'anisotropie a une très grande portée. En troisième lieu, des expériences concrètes confirment que l'acier de l'invention se soude très bien. Ceci doit être dû à sa faible teneur en carbone équivalent (C eq) qui est inférieure à environ 0,400 (calculée pour C + 1/6 Mn + 1/24 Si). 15 Les conditions de production et les exemples typiques de composition chi mique, ainsi que les résultats des essais d'échantillons choisis parmi ceux provenant des expériences ci-dessus, sont les suivants : Conditions de fabrication Production de l'acier, 20 Four basique à soufflage d'oxygène d'une capacité de 85 tonnes. Poids du lingot, 14 tonnes Après un traitement ordinaire de production de brame Processus de laminage à chaud Laminoire à bande continue ordinaire 25 Epaisseur finale 6 mm. Composition chimique 71 42695 5 2117883 TABLEAU I (Nota : ° indique des aciers antérieurs de comparaison) C Si Mn P S Nb Zr Sol.Al. C eq. 5 A° 0,10 0,19 1,19 0,015 0,020 0,025 - 0,025 0,306 B° 0,08 0,18 1,30 0,016 0,008 0,035 - 0,032 0,304 C° 0,10 0,18 1,02 0,019 0,017 0,026 0,01 0,042 0,278 D° 0,10 0,30 1,18 0,016 0,017 0,027 0,03 0,026 0,310 E 0,10 0,15 1,40 0,018 0,020 0,020 0,05 0,065 0,340 10 F 0,08 0,28 1,06 0,018 0,020 0,024 0,08 0,058 0,269 G 0,08 0,28 1,04 0,012 0,006 0,035 0,09 0,088 0,256 H 0,12 0,37 0,85 0,012 0,026 0,038 0,10 0,046 0,277 I 0,11 0,48 1,46 0,015 0,005 0,042 0,09 0,031 0,374 J 0,14 0,13 0,92 0,018 0,020 0,048 0,10 0,058 0,298 15 K 0,05 0,49 1,50 0,015 0,017 0,050 0,09 0,036 0,270 L 0,08 0,37 1,19 0,012 0,019 0,038 0,15 0,025 0,293 M° 0,19 0,23 0,98 0,016 0,018 0,019 0,11 0,041 0,363 Les propriétés physiques des aciers ci-dessus qui ont été essayés sous la forme d'éprouvettes de 5 mm x 10 mm x 55 mm ayant des encoches en V de 2 mm sont indiquées dans le tableau II ci-après. TABLEAU II (Nota : ° indique des aciers antérieurs de comparaison) Acier | Essai de traction | Propriétés d'usinage par flexion Résistance aux impacts . (résilience) [ Limite élastique ! Résistance à la Allongement Rayon de à 180 pliage ' Allongement 0 , Energie absorbée à 0° C ; ( kg /mm2 ) traction (kg/mm2) (%) (mm) Direction L 1 Direction C ' A° 52,4 61,8 29,0 9,0 3,6 8,1 1,8 B° 51,8 60,4 28,0 4,5 5,8 11,4 2,9 C° 48,0 56,8 33,0 6,0 4,3 8,2 2,0 D° 47,1 56,3 32,4 4,5 5,1 9,3 1,8 i E 47,6 56,8 32,6 0 10,0 11,0 . 5,4 F 51,3 60,4 29,6 0 8,6 8,9 ; 5,5 | G 52,7 62,5 32,2 0 10,8 10,8 ; 1 H 57,4 65,9 26,0 3,0 7,5 11,5 6,2 I 62,8 71,7 25,5 3,0 | 7,8 10,5 7,8 ! | J 53,1 ; 62,3 27,5 3,0 | 7>6 11,6 ' 6,2 | K 61,0 70,6 26,2 3,0 | 6,1 8,9 1 j 5,5 L 55,8 65,2 ! 26,4 0 ! 8,2 6,5 | 5,0 M° S 54,4 ' 63,2 | 29,2 6,0 5,1 9,6 3,8 -fcs. K> O sO Ln ON K> -si C» 00 LU 71 42695 7 2117883 Il ressort du tableau ci-dessus que les propriétés physiques de l'acier de l'invention sont très supérieures à celles des aciers antérieurs de comparaison Il va de soi qu'aucun de ces aciers n'a subi de traitement thermique d'affinage Il ressort clairement de ces propriétés physiques et, en particulier, de la 5 limite élastique, de la résistance à la traction et de la résilience, comme l'indique le tableau II, qu'il est possible d'utiliser cet acier sans aucun affinage thermique pour de sévères opérations d'usinage à froid. Il convient, en particulier, de noter que les aciers G et I surpassent les autres en ce qui concerne ces propriétés physiques, c'est-à-dire, en ce qui concerne la limite 10 élastique, la résistance à la traction et la résilience. Il va sans dire que ces propriétés dépendent de la teneur en S qui doit être inférieure à 0,01 °L, comme mentionné ci-dessus. De plus, l'acier de 1'invention présente, dans la pratique de bonnes propriétés de soudage. Ceci est dû au C eq. qui est inférieur à 0,400 comme l'indique le tableau 1. La raison pour laquelle les propriétés 15 physiques des aciers antérieurs sont inférieures à celles de l'acier de l'invention réside dans le fait que leur teneur en Zr ou en C est à l'extérieur des limites de la composition de l'acier selon l'invention, comme le montre le tableau I. On conviendra que l'invention apporte pour la première fois, un acier 20 convenant parfaitement pour de sévères opérations d'usinage à froid. Plus précisément, il est à noter que cet acier peut être facilement fabriqué par laminage à chaud, c'est-à-dire, sans aucun traitement thermique d'affinage. 71 42695 8 2117883 REVENDICATIONS 1.- Acier qui présente une haute ténacité après laminage à chaud et d'excellentes propriétés d'usinage à froid, la résistance à la traction étant supé- 2 rieure à environ 60 kg/mm ou la limite élastique étant supérieure à environ 2 5 45 kg/mm , caractérisé en ce qu'il contient de 0,03 à 0,15 °L de carbone, de 0,05 à 0,50 % de silicium, de 0,80 à 1,50 % de manganèse, de 0,005 à 0,10 % de niobium, de 0,05 à 0,15 % de zirconium, de 0,005 à 0,10 °L d'aluminium, ainsi que des impuretés inévitables, le reste étant du fer. 2.- Acier à haute ténacité tel que spécifié dans la revendication 1, ca-10 ractérisé en ce qu'il contient moins de 0,010 °L de soufre. 3.- Acier à haute ténacité tel que spécifié dans la revendication 1, caractérisé en ce que son carbone équivalencest inférieur à environ 0,400.