Brevet FR2167977A1 — publié le 19730824

La présente invention concerne un acier effervescent et un procédé pour son obtention et elle concerne plus particulièrement un acier effervescent pour emboutissage profond présentant les caractéristiques de surface d'un acier effervescent de qualité d'emboutissage et des propriétés d'emboutissage profond comparables à celles d'un acier calmé à l'aluminium Jusqu'd maintenant on a réalisé des opérations d'emboutissage principalement avec deux types d'aciers5 à savoir des aciers effervescents de qualité d'emboutissage et des aciers calmés de qualité d'emboutissage. En ce qui concerne les aciers calmés l'acier calmé à l'aluminium est le plus couramment utilisé Pour l'emboutissage un acier effervescent présente des caractéristiques de surface supérieures et il est généralement d'une fabrication moins coûteuse.Cependant; un acier effervescent est sujet à un vieillissement et il ne présente pas les qualités d'emboutissage profond d'un acier calmé à l'aluminium. En conséquence, lorsque le procédé de fabrication le permet, ou bien lorsque les caractéristiques de surface sont importantes; on utilise en pratique, à l'heure actuelle, un acier effervescent dans des opérations d'emboutissage. Lorsqu'il est nécessaire de réaliser un emboutissage profond, on utilise un acier calmé à l'aluminium ou similaire. Récemment, des chercheurs se sont orientés vers d'autres types d'aciers pour des applications faisant intervenir un emboutissage profond. Ainsi, on a décrit dans le brevet belge NO 736 282 un métal non effervescent, dégazé sous vide et présentant d'excellentes caractéristiques d'emboutissage profond. Des travaux assez récents effectués dans le domaine des aciers calmés au silicium et non effervescents ont été décrits dans 1' article de Hsun Hu et S.R. Goodman intitulé : affect of Manganese on the Annealing Texture and Strain Ratio of Low-Carbon Steelsn, dans Metallurgical Transactions, Volume 1 Novembre 1970 pp. 3057-3064. D'autres recherches effectuées dans le domaine des aciers non effervescents fabriqués à partir de fer électrolytique fondu par induction sous vide ont été décrits dans ltarticle de I.F. Hughes et E.W. Page; intitulé : " The Influence oi Nanganese and Carbon on Plastic Anisotropy Grain Size and Ductility in Pure Iront dans Metallurgical Transactions, Volume 2, Août 1971, pp. 20672075. Bien qu'on ait pu donner à des aciers non-effervescents d'excellentes qualités d'emboutissage profond, comme cela est décrit par exemple dans le brevet belge précité ces aciers sont d'une fabrication plus coûteuse qu'un acier effervescent et ils n'en possèdent pas les qualités de surface L'invention a pour but de fournir un acier effervescent et un procédé pour son obtention en vue d'obtenir un produit d'une fabrication peu coûteuse et présentant des propriétés d'emboutissage profond se comparant favorablement à celles d'un acier calmé à l'aluminium Bien que le produit selon l'invention soit sujet à un vieillissement comme c'est le cas pour un acier effervescent ordinaire, il possède les excellentes caractéristiques de surface d'un acier effervescent ordinaire caractéristiques qui ne peuvent pas être obtenues avec un acier calmé à l'aluminium ou avec les autres aciers non effervescents indiqués ci-dessus La présente invention a pour objet un acier effervescent pour emboutissage profond, contenant essentiellement, en proportions pondérales, de 0,01 à 0,08 % de carbone, de 0,02 à 0,2 ss de man ganèse, au plus 0,015 % de soufre, de l'oxygène en une quantité re tant après effervescence avec introduction d'oxygène dans le bain, comprise entre 0,02 et 0,08 f . le complément étant du fer si 1 on excepte le silicium, le phosphore et d'autres impuretés métallur giques usuelles résultant de l'opération de fabrication et intervenant en des quantités résiduelles. Dans le procédé de fabrication d'acier effervescent pour emboutissage profond selon l'invention l'acier est fondu, affiné et traité. conformément à la pratique courante adoptée pour produire des aciers effervescents. Le bain traité est coulé en lingots avec effet d'effervescence. Ensuite, les lingots sont réchauffés et laminés sous forme de brames. Les brames sont ensuite réchauffées et réduites à chaud à une épaisseur intermédiaires cette opération étant suivie d'un décapage. La matière décapée est soumise à une réduction à froid d'environ 55 à 85 5 puis elle est soumise à un recuit de quali-té d'emboutissage, de manière que la partie la plus froide de l'acier atteigne une température d'au moins 690O C, puis elle est éventuellement soumise à un laminage avec revenu. Le produit final constitue un acier effervescent qui se compare favorablement à l'acier calmé à l'aluminium, en ce qui concerne les qualités d'emboutissage profond. En même temps, le produit selon l'invention conserve les excellentes caractéristiques de surface qui sont typiques pour un acier effervescent. Relativement récemment, on a trouvé que les caractéristiques d'emboutissage d'un acier sont liées directement à sa structure cristallographique. Pour que l'on obtienne de bonnes caractéristiques d'emboutissage, l'acier doit présenter une texture fibreuse cube-sur-sommet qui soit résistante, les plans désignés par (111) à l'aide des indices de Miller étant parallèles à la surface de la feuille. Dans le produit selon l'invention les grains ont une forte tendance à établir une orientation cube-sur-sommet. Lors de la fabrication de l'acier effervescent pour emboutissage profond selon l'invention l'acier est fondu affiné et traité conformément à une -pratique courante pour des aciers effervescents à cette différence près que la composition du bain est maintenue dans les gammes critiques indiquées ci-dessuus. Pour de l'acier effervescent classique on peut adopter à titre d'exemple la composition de bain suivante exprimée en pourcentages en poids Carbone 0;05 à 0l 1 Manganèse 0 > 25 à 0,4 % Soufre 0,05 % maximum Oxygène 0;;02 à 0,05 % Silicium résiduel Phosphore OjQ4 % maximum ( Le complément étant du fer, à l'exception des impuretés métallurgiques classiques résultant de ltopération de fabrication) Dans le procédé de fabrication d'acier effervescent pour emboutissage profond selon l'invention, il est nécessaire d'adopter la composition suivante du bain, exprimée en pourcentages en poids : de 0,01 à 051 % ( et de préférence de 0,05 à 0;08 ) de carbone, de 0 > 02 à 0;2 % ( et de préférence de 0.05 à 0315 %) de manganèse, au plus environ 0,015 % ( et de préférence au plus 0,01 % environ ) de soufre, de 0,02 à 0,08 % ( et de préférence de 0;03 à 0,08 X ) d'oxygène du silicium et du phosphore en quantités résiduelles et le complément étant du fer, à excep- tion des impuretés métallurgiques usuelles résultant de l'opéra- tion de fabrication. En ce qui concerne la composition de bain définie ci-dessus on a trouvé que, si la teneur en carbone était inférieure à environ 0,01 %, il se produisait dans la matière un grossissement exagéré des grains se traduisant par une perte de résistance indésirable. Si la teneur en carbone est supérieure à 051 , la matière a tendance à comporter des grains très fins et par conséquent, de mauvaises caractéristiques d'emboutissage. En ce qui concerne le manganèse on a constaté que sa présence avait tendance à augmenter le grossissement des grains placés cube-sur-sommet. Le mécanisme suivant lequel le manganèse influe sur ce grossissement des grains n'est pas par- faitement clair. Néanmoins, si la teneur en manganèse est supérieure à O;2 5 l'acier commence à perdre son orientation cube- sur-sommet lui conférant une grande résistance D'autre part5 on a trouvé que le manganèse devait exister en petite quantité. Ainsi si la teneur en manganèse est inférieure à environ 0,02 , on se met à enregistrer des résultats bizarres et fluctuants en ce qui concerne les propriétés du produit final. On ne peut pas parfaitement s'expliquer cette variation. On sait qu'il se produit une interaction entre le manganèse l'oxygène et le soufre le manganèse agissant comme éliminateur des impuretés constituées par l'oxygène et le soufre et ayant tendance à former des oxydes et des sulfures de manganèse. I1 est souhaitable d'avoir une quantité de manganèse supérieure à celle qui gênerait stoechio- métriquement ces impuretés puisque ces dernières ont tendance à produire des ségrégations dans le lingot. Ainsi par exemple la teneur en soufre peut être plus élevée à la partie supérieure du lingot qu'à sa-base. La teneur en soufre doit être inférieure à 0,015 ss et elle ne doit de préférence pas être supérieure à 0,01 % pour améliorer les propriétés mécaniques. En outre, elle évite les problèmes de recristallisation et la perte de facilité de mise en oeuvre pendant le laminage à chaud. On estime que le problème de la perte de facilité de mise en ceuvre ne risque pas d'être rencontré pour une teneur en soufre inférieureà 0 015 ss et5 en particulier pour une teneur en soufre inférieure à 0 01 . La teneur en oxygène est importante du fait que lorsqu'elle est inférieure à environ 0 02 , il peut se produire une effervescence ou désoxydation insuffisante. Comme cela est bien connu dans ce domaine il est souhaitable que l'action de désoxydation soit efficace pour procurer un acier effervescent correct D'autre part si la teneur en oxygène est supérieure à environ 0 08 % liae.ier 3eut devenir trop "encrassét'5 c est-å-dire qu'il contient de trop nombreuses inclusions d'oxydes. Dans la composition de bain indiquée ci-dessus, on précise que le silicium et le phosphore existent seulement en quantités résiduelles. Cela est vrai du fait que, dans le procédé de l'invention ces éléments sont considérés comme des impuretés et doivent avoir des teneurs correspondant effectivement à des impureté s dans le métal. I1 est évident que si la teneur en silicium était importante, ce métal altérerait l'action de désoxydation. En conséquence la teneur en silicium doit être limitée à environ 0.01 % au maximum. De même, si la teneur en phosphore dépassait ce qu'on peut considérer comme une quantité résiduelle; il pourrait en résulter un encrassement excessif se traduisant par une réduction de l'aptitude à l'emboutissage. L'acier ayant été fondu affiné et traité avec la composition initiale de bain définie ci-dessusJ il est coulé sous forme de lingots dans lesquels il se produit une action d'effervescence. Ensuite; les lingots sont réchauffés et laminés sous forme de brames. Les brames sont à leur tour réchauffées et réduites à chaud à une épaisseur intermédiaire. Comme indiqué ci-desusss il ne se pose pas de problème de friabilité à chaud pendant la phase de laminage à chaud tant que les teneurs en soufre et en manganèse sont maintenues dans les limites indiquées ci-dessus. Supposons, toutefois, que dans un cas déterminéS la teneur en soufre dépasse les limites indiquées ci-dessus dans une partie quelconque de la brame du fait d'une ségrégation dans le lingot, le problème de friabilité à chaud susdit peut encore être évité si, dans la gamme des teneurs en manganèse indiquées ci-dessus, le rapport manganèse/soufre n'est pas inférieur à environ 10tu. Après réduction à chaud l'acier est décapé et laminé à froid jusqu'à l'épaisseur finale. Les laminages à chaud et à froid peuvent être réglés de manière que la réduction à froid tombe dans la gamme comprise entre environ 55 et 85 0, On a trouvé qu'une réduction à froid dans cette gamme est nécessaire pour former une texture fibreuse cube-sur-sommet résistante pendant le recuit final. Après réduction à froid l'acier est soumis à un recuit permettant d'obtenir une qualité d'emboutissage; te recuit doit être effectué pendant un temps et à une température tels que la partie la plus froide de l'acier atteigne une température d'au moins 6900 C pendant au moins quatre heures. Le recuit peut être réalisé dans une atmosphère appropriée en fonction de l'application finale du produit fabriqué. D'une façon générale. on peut utiliser une atmosphère contenant en prédominance de l'hydrogène et de l'azote telle qu'un des gaz connus sous les dénominations HNX ou DX. Le chauffage de la partie la plus froide de l'acier à une température d'au moins 6900 C pendant au moins quatre heures est nécessaire pour établir des valeurs appropriées d'allongement et de limite élastique bien qu'on ait trouvé que la faible teneur en manganèse de la composition selon l'invention permettait de former une texture fibreuse cube-sur-sommetplustot au cours du recuit et à une température plus basse. Comme indiqué ci-dessus le produit final comprend un acier effervescent qui combine les excellentes caractéristiques de surface avec des caractéristiques d'emboutissage profond se comparant favorablement à celles d'un acier calmé à l'aluminium. Le produit final présente une composition qui comprend en proportions pondue ralles, entre environ 0,01 à 0,08 , ( et de préférence entre environ 0,02 et 0,04 ss ) de carbone: entre environ 0:02 et 0;12 ,Ot (et de préférence entre environ 0,05 et 0,15 9'o ) de manganèse et moins de 0,015 > ( et de préférence moins de 0,01 ss ) de soufre.Lorsque l'oxygène est présent dans le bain initial dans les quantités indiquées ci-dessus, la teneur en oxygène du produit final correspond simplement à ce qui subsiste après l'action d'effervescence. Ainsi qu'on l'a dit plus haut le silicium et le phosphore ne sont présents qu'en quantités résiduelles. Le complément de la composition finale est formé de fer, à l'exception des impuretés métallurgiques usuelles résultant du procédé de fabrication. EXEMPLE 1 On a coulé un lingot à partir d'une chargetqui sera désignée dans la suite par charge A) d'acier effervescent fabriqué en four à sole ouverte ou four Martin et présentant l'analyse en poche suivante Charge , A 0,070 0,009 0;005 0,010 0.02 0,012 0,011 0,010 Compl. Après une phase d'effervescence, on a traité le lingot confor mément à une pratique courante pour obtenir différents degrés d'effervescence, à savoir de la manière suivante Le lingot a été laminé sous forme d'une brame, puis il a été réchauffé et réduit à chaud à une épaisseur de 2,5 mm, en subis sant un traitement de finition à environ 8930C. La température d'enroulement en bobine était d'environ 6350C. La bande laminée à chaud a été décapée et réduite à froid de 60% jusqu'à une épaisseur de 1 Omm. La bande réduite à froid a été recuite en caisson à l'aide d'un cycle de qualité d'emboutissage de 7040 C pendant 12 heures dans une atmosphère contenant 14 % d'hydrogène et 36% d'azote à un point de rosée de + 160 C. Après recuit la tôle a été laminée avec revenu avec réduction d'environ 0,5%.Les caractéristiques mécaniques obtenues ( chaque valeur étant une moyenne des valeurs de mesure pour deux échantillons ) sont indiquées dans le Tableau I ci-dessous. TABLEAU I Charge Emplace- Limite Charge ffi d'allon- Dureté ment dans élastique de gement sur HRE rm le lingot MN/m2 rupture 50,8 mm MN/m2 A Haut 203 290 46,0 46,0 1,52 Bas 163 275 46,0 39,0 1;62 EXEMPLE 2 On a coulé un lingot à partir de chacune de trois charges (désignées dans la suite par B C et D) d'un acier effervescent fabriqué par un procédé de soufflage à oxygène en four basique. L'analyse en poche de chacune des trois charges est indiquée dans le Tableau II ci-dessous. TABLEAU II Charge %C %Mn P %S % Cu % Cr % Ni -Mo ss Fe B 0.053 0,12 0,005 0,014 0,022 0,002 0,010 0,008 Complément C 0,060 0,14 0 > 004 0,010 0,017 0;003 0 01) 0,004 complément D 0,047 0,14 0o04 0,008 0,015 0,006 0,013 o,oo6 Complément Après une phase d'effervescence les trois lingots ont été traités conformément à une pratique courante de manière à obtenir différents degrés d'effervescence à savoir de la manière suivante:: Les lingots ont été laminés sous forme de brames puis ils ont été réchauffés et réduits à chaud à une épaisseur d'environ 2-.5mm en subissant ensuite un traitement de finition à environ 3930 C La température d'enroulement en bobine a été d t environ 6350 C. Les bandes lamines à chaud ont été décapées et réduites à froid comme indiqué dans le Tableau III ci-dessous. Les bandes réduites à froid ont été recuites en caisson, à l'aide d'un cycle de qualité d'emboutissage de 7040C pendant 12 heures dans une atmosphère se composant de 14 % d'hydrogène et de 86 % d'azote pour un point de rosée de + 16 C. Après le recuit les tales ont été laminées avec revenu avec une réduction d'environ 0;5 % O Les propriétés mécaniques obtenues (chaque valeur étant une moyenne de deux échantillons) sont indiquées dans le Tableau III ci-dessous. TABLEAU III Charge Emplace- ss de Limite Charge ss d'allon- Dureté ment dans réduc- élasti-de rup- gement sur HRB r le lingot tion à que ture 508 mm m froid MN m2 MN/m2 B Haut 65 205 285 45-5 43,0 1,63 Bas 65 225 302 4)5 48,5 1,53 C Haut 69 213 298 45 5 50,0 î66 Bas 69 187 239 41.- O 46 5 1 54 D Haut 69 194 298 42,5 49 5 1.93 Bas 69 182 231 48,0 45 5 1,78 Le taux de déformation plastique est un paramètre consacré pour un métal en feuille et il indique sa capacité de résistance à un amincissement lorsqu'il est soumis à des forces de tension orientées dans une direction perpendiculaire à son épaisseur. I1 contribue à définir l'aptitude d'une matière à une déformation par emboutissage profond pour lui donner des formes telles que celle d'une cuvette arrondie à partir d'un disque circulaire La valeur "r" est par conséquent considérée comme une mesure de l'aptitude à l'emboutissage d'une tôle métallique. Le terme "rm't utilisé dans les Tableaux I et III ci-dessus est la moyenne pondérée des valeurs "r" obtenues dans trois directions, en supposant que les deux essais effectués dans une direction faisant 45 avec la direction de laminage ont la meme valeur. ou rO est la valeur de r correspondant à un échantillon longitu dinal r 5 est la valeur de r correspondant à un échantillon orienté à 45 par rapport à la direction de laminage r90 est la valeur de r correspondant à un échantillon orienté transversalement. Les Tableaux I et III montrent qu'un acier effervescent provenant d'une charge fabriquée dans un four à sole ouverte ou bien dans un four basique à soufflage d'oxygène et présentant une composition de bain rentrant dans les gammes indiquées ci-dessus fournit un produit présentant une charge de rupture une limite élastique. un pourcentage d'allongement et une dureté qui rentrent bien dans les plages désirées pour des aciers à emboutissage F"o- fond de bonne quantité. Dans les exemples donnés ci-dessus les valeurs de rm sont comprises entre 1,52 et 1593. Pour de l'acier effervescent ordinaire (recuit) une valeur typique de rm est d'environ 1 17. Pour un. acier calmé à l'aluminium (recuit). une valeur typique de rm est d'environ 1,48. I1 est par conséquent à noter que le produit selon l'invention pré sente une valeur rm bien supérieure à la valeur correspondant à un acier effervescent et recuit de qualité courante. En outre, l'acier effervescent selon l'invention présente une voleur rm se comparant favorablement à ou même supérieure à la valeur typique de rm correspondant à un acier calmé à l'aluminium recuit cet acier étant généralement utilisé pour l'emboutissage rofond rn outre le produit selon l'invention possède les excellentes qualités de surface d'un acier effervescent ordinaire, ces caractéris- tiques ne pouvant pas être obtenues avec un acier calmé à l'alumi- nium qui a été recuit. Enfin il est à noter que les teneurs en manganèse et en sou-:e doivent être comprises dans les gammes indiquées ci-dessus et qu'il existe de nombreux procédés pour obtenir ces teneurs. Par exemple, on peut obtenir les faibles teneurs en soufre en augmentant l'Q.di.% tion de chaux dans le tour à sole ouverte ou dans le four basique à soufflage d'oxygène En variante et indépendamment du procédé utilisé, on peut réduire la teneur en soufre par une désulfuration e,.terne. Normalement. 1 teneur en manganèse requise peut êtr obtenue sans grande difficulté dans le four à sole ouverte. Cependantdans le four basique à soufflage d'oxygène.. il peut être nécessaire e maintenir la teneur en manganèse de la charge de gueuses de fonte à un niveau plus bas que la normale. REVENDICATIONS 1.- Acier effervescent pour emboutissage profond, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, en proportions pondérales, de 0;01 à o.Oun % de carbone; de 0.02 à 0,2 % de manganèse au plus 0S015 % de soufre. une teneur en oxygène, subsistant après effervescence avec passage d'oxygène dans le bain, comprise entre 0,02 et 0.08 % et le complément étant du fers à l'exception du sili- cium, du phosphore et d'autres impuretés métallurgiques usuelles résultant de l'opération de fabrication et intervenant en quantités résiduelles. 2.- Acier effervescent pour emboutissage profond selon la vendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, en proportions pondérales, de 0,02 à 0, 01t ss de carbone, de 0 05 à 0,15 ss de manganèse, environ 0;01 % de soufre- au maximum une teneur en oxygène , subsistant après effervescence avec passage d'oxygène dans le bain comprise entre 0.03 et 0,08 % , et le complément étant du fer, à l'exception du silicium. du phosphore et d'autres impuretés métallurgiques usuelles résultant de l'opération de fabrication et intervenant en quantités résiduelles. ).- Acier effervescent selon la revendication 1. caractérisé en ce qu1il présente une valeur minimale de rm de 1 5s rm étant la moyenne pondérée des valeurs r obtenues dans trois directions et mesurant l'aptitude à l'emboutissage d'une tôle métallique 4.- Procédé pour l'obtention d'un acier effervescent pour emboutissage profond, caractérisé en ce qu'on produit un bain de fusion ferreux contenant essentiellement, en pourcentages en poids; de 0501 à 0,1 ss de carbone, de 0 92 à 0;2 ss de manganèse, au plus 0;015 5 de soufre, de 0,02 à 0.08 ss d'oxygène; du silicium et du phosphore en quantités résiduelles et le complément étant du fer. à l'exception des impuretés métallurgiques usuelles résultant de l'opération de fabrication, on coule le métal du bain en lingots dans lesquels s'effectue une action d'effervescence on réchauffe les lingots et on les lamine sous forme de brames, on réchauffe les brames et on les lamine à chaud à une épaisseur intermédiaire, on décape et on lamine à froid ledit acier effervescent jusq- 'à son épaisseur finale par réduction à froid comprise entre 55 et 85 5t et on soumet l'acier effervescent à un recuit pendant un temps et à une température tels que la partie la plus froide de l'oie atteigne une température d'au moins 6900 C pendant au moins 4 heures, afin de former un produit se comparant favorablement à de l'acier calmé à l'aluminium en ce qui concerne ses caractérisé tiques d'emboutissage profond. 5. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit bain de métal ferreux en fusion contient essentiellement, en pourcentages en poids, de 0;05 à 008 ss de carbone; de 0,05 à 0,15 , de manganèse5 au plus 0,01 % de soufre3 de 0,03 à oo3 % d'oxygène, du silicium et du phosphore en quantités résiduelles et le complément étant du fer; à l'exception des impuretés métallurgiques usuelles résultant de l'opération de fabrication.