Brevet FR2241624A1 — publié le 19750321

La présente invention se rapporte à la fabrication de produits en forme à partir aciers faiblement alliés et de haute résistance. On dispose d'aciers faiblement alliés et de haute résistance, à savoir des aciers présentant une bonne limite élastique, c'est-à-dire supérieure à 550 N/mm2, ainsi qu'un degré de ténacité raisonnable. Cette résistance est généralement établie, soit par un laminage contrôlé, par un renforcement par carburation à l'aide de petites additions de formateurs de carbures ou bien par durcissement par précipitation. Un grand nombre de ces aciers nécessitent un refroidissement ou une trempe dans un liquide après le laminage à chaud et en combinaison avec un traitement de revenu, ce qui introduit un risque dê fissuration, de gauchissement ou de distorsion par suite des grandes contraintes internes engendrées au cours de la trempe. Les aciers qui ne nécessitent pas de trempe presentent l'inconvénient d'une absence de formabilité, c'est-à-dire dè l'ap-;titude à la lise en forme par flexion, étirage ou emboutissage. En conséquence, bien que certains aciers à haute résistance puissent ttre mis en forme par flexion sous l'effet de fortes charges et par conséquent avec une grande dépense d'éner gie, ils se comportent assez mal dans des opérations d'étirage ou d'emboutissage. L'intention est basée sur la découverte que certains aciers de prix faibles à modérés peuvent ere commodément mis en forme par flexion, étirage et emboutissage et peuvent être cependant trempés à l'air de manière à atteindre de très hautes résistances sans avoir recours à une trempe dans un liquide. Suivant l'invention, des produits profilés sont formée à partir dacier au chrome contenant jusqu'à 0,3% de carbone, jusqu'à 6% de chrome et jusqu'à 3% de nickel et/ou 4% de manganèse et, éventuellement un ou plusieurs des éléments suivants, à savoir jusqu'à 4% de molybdène, jusqu'à 1,2oh de cuivre, jus qu'à 1% d'aluminium et jusqu'à 1% de silicium, le complément étant formé ar du fer, mises à part les impuretés, à la condition que les teneurs en constituants soient liées entre elles par la relation suivante (qui sera appelée dans la suite le "Facteur de Base") :: 5(%C)+(%Cr)+2/3(%Ni)+(%Mn)+(%Mo)+2/3(Cu)+1/2(%Al)+1/4(%Si)#5 par un procédé comprenant les phases suivantes s (i) ramollissement de l'acier présentant une structure initialement martensitique en le chauffant au-dessus de sa température de recristallisation mais en dessous de sa température Âi (ii) refroidissement de l'acier à une température désirée pour le formage (iii) formage de l'acier au profil (forme) désiré (iv) chauffage du produit profilé à une température supé- rière à la température A3 de l'acier de manière à ren dre l'acier austénitique, et (v) refroidissement de la structure profilée. Des aciers contenant à la fois du chrome et du nickel sont nouveaux et font également partie de l'invention. Pour obtenir les meilleures propriétés de résilience, la teneur en carbone des aciers ne doit pas dépasser 0,ZK et avantageusement elle est comprise entre 0,05 et 0,15%, en étant de préférence comprise entre 0,01 et 0,1%. Avantageusement, les aciers contiennent de 2 à 4%, et de préférence de 2,5 à 3,5% de chrome et, au moins, 1,25%, et de préférence de 1,5 à 2,5% de nickel ; pas plus de 0,5% de molybdène ; pas plus de 1% de cuivre ; pas plus de 0,5% de silicium ; et pas plus de 0,2%, et de préférence pas plus de 0,1% d'aluminium.Des aciers dans lesquels le chrome et le manganèse constituent les éléments principaux d'alliage contiennent avantageusement de 2 à 4%, de préférence de 2,5 à 3,5% de chrome et de 1,5 à 3,5%, de préférence de 1,75 à 3,35%, de manganèse Des éléments qui peuvent constituer des impuretés comprennent des éléments résiduels de désoxydation et d'épuration, le soufre, le phosphore, l'azote et l'oxygène en quantités correspondant à une bonne pratique de la fabrication d'acier. On peut également tolérer de petites quantités d'impuretés telles que le niobium, le vanadium, le titane, le tan tale et le bore. Ces éléments peuvent altérer l'aptitude de formage des aciers et ils ne doivent de préférence pas dépasser chacun une teneur de 0105%, alors que lorsque l'acier doit être laminé à froid, on peut tolérer des teneurs pouvant atteindre 0,15 ou 0,2%. Pour obtenir la haute résistance désirée à l'aide du traitement final de transformation austénitique et de refroi dissement, il est important que les aciers aient initialement une structure martensitique, ce terme se rapportant à des pro -duits de la transformation par cisaillement d'un fer initialement dans le système cubique à faces centrées en un fer essentiellement cubique centré. A condition que le "facteur de base" soit au moins égal à 5, et de préférence à 5,5, les aciers sont généralement iartensitiques lors d'un refroidissement par air après le laminage à chaud.Un autre avantage d'une structure initialement martensitique est que, du fait de la nature de la transformation martensitique (cisaillement), elle contient après travail à chaud, des quantités relativement grandes de contrain t88 résiduelles, ce qui diminue la température de recristallisation et ce qui élargit par conséquent l'intervalle entre les températures de recristallisation et 9 . Il en résulte une faci- litation de la fabrication du fait que l'acier peut être ramolli plus facilement jusque dans sa condition où il est le mieux formable. En conséquence, le chauffage pour obtenir une bonne formabilité peut entre, soit effectué à une température établissant le plus fort ramollissement, soit à une température inférieure afin de produire le degré de ramollissement qui serait obtenu à une température supérieure en l'absence de contrainte. On peut augmenter les contraintes existant dans la structure martensitique de différentes manières. Par exemple, les contraintes peuvent eatre produites en contrôlant le laminage à chaud de façon que la température de finissage soit comprise entre 788 et 871 C, par exemple d'environ 816 C, ou bien en refroidissant lentement l'acier à partir de la température de laminage à chaud, par exemple par refroidissement par air, puis en effectuant un laminage froid. Un tel laminage à froid effectué avant le traitement de ramollissement thermique présente en outre l'avantage de développer dans l'acier une texture qui favorise l'aptitude à l'emboutissage suivant un rapport d'anisotropie plastique élevé (valeur R), en réduisant également habituellement la limite élastique. Dans le traitement de ramollissement thermique, il est important de ne pas dépasser la température , du fait que cela pourrait conduire à une formation nouvelle de martensite qui se traduirait par une plus grande dureté, et par conséquent par une diminution de l'aptitude au formage. Des deux températures et et A3 et la température de recristallisation peuvent évidemment etre facilement déterminées pour un acier donné. En fonction de la composition de l'acier, la-température de chauffage de ramollissement est généralement comprise entre 621 et 7600C et elle est établie pendant une période pouvant durer de 1 à 48 heures, des temps plus courts étant nécessaires pour des températures supérieures.De préférence, on utilise une température comprise entre 649 et 732 C et une période de chauffe comprise entre 24 et 48 heures, et plus avantageusement le chaud fage est effectué immédiatement en dessous de la température , par exemple en descendant jusqu'à 28 C en dessous de . D'une façon générale, le traitement thermique de ramollissement permet de diminuer la limite élastique en dessous de 480 ou même de 413 IJ/mm . Après formage dans la condition ramollie, de préféren- ce à la température ambiante ou légèrement au-dessus, on chauffe l'acier au-dessus de la température A3 pendant une période suffisante pour produire une transformation de la microstructure en austénite. Lors du refroidissement ultérieur, la résistance mécanique est rétablie, l'acier subissant une transformation pour revenir à la structure existant dans la condition laminée à chaud. il est généralement approprié d'adopter une température comprise entre 816 et 10930C, la période de maintien à cette température étant au moins de 5 minutes. il est préférable d'utiliser une gamme de températures comprise entre 816 et 8990C pendant au moins 10 minutes, par exemple jusqu'à 30 minutes. l'es aciers présentent généralement, en fonction de leur composition, des limites élastiques d'au moins 620 N/mm. À titre d'exemple, on a réalisé quatre aciers préseD- tant les compositions indiquées dans le Tableau I, les Aciers 1 à 3 étant conformes à l'invention et l'Acier A étant inclus à titre de comparaison. Le complément de la composition dans chaque cas a été constitué par du fer et des impuretés. Les aciers ont été fabriqués en assurant la fusion par induction à l'air de matières premières d'une pureté du commerce et en coulant les métaux sous forme de lingots qui ont été ensuite réchauffés jusqu'à 1093 C et travaillés à chaud åus- qu'à une épaisseur de 3 à 13 mm. Pour les aciers 2 et 3, la température de finissage a été réglée à 816 C, en obtenant une ré duction d'épaisseur de 50%. Les caractéristiques de résistance à la traction des aciers ont été déterminées après les traitements thermiques de ramollissement et d'augmentation de résistance, les résultats étant indiques dans le Tableau II. TABLEAU I Acier Facteur N C Mn Si Ni Cr Mo Ti Al de base (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) A 0A059 0,24 0,45 2,02 2,1 - 0,026 - 4,09 1 0,06 0,25 0,46 1,76 3,9 - 0,03 - 5,69 2 0,06 0,23 0,44 1,97 3,8 0,42 0,005 - 6,17 3 0,066 0,55 0,17 1,69 4,2 - - 0,09 6,30 T A B L E A U II Acier Conditions de traitement Limite Charge Allon- Stric N élastique de rup- gement tion Résilience (N/mm) ture (%) (%) (kgm/cm) (N/mm) (a) Laminé à chaud/RA + 48 h/677 C/RA 430 515 29 A (b) Laminé à chaud/RA + 48 h/704 C/RA 420 480 31 (c) Laminé à chaud/RA +0,5 h/871 C/RA 375 698 24 (a) Laminé à chaud/RA + 48 h/677 C/RA 427 492 34 1 (b) Laminé à chaud/RA + 48 h/704 C/RA 291 474 27 (c) Laminé à chaud/RA +0,5 h/871 C/RA 704 1118 13 (a) Laminé à chaud/RA + 48 h/677 C/RA 299 484 30 2 (b) Laminé à chaud/RA + 48 h/704 C/RA 302 480 32 (c) Laminé à chaud/RA +0,5 h/871 C/RA 824 1133 14 (a) Laminé à chaud/RA + 48 h/690 C/RA 372 526 36,5 78 (c) Laminé à chaud/RA + 48 h/690 C/RA 375 1041 16,5 64,5 4,41 +0,5 h/899 C/RA RA = refroidissement par air. Il est à noter que, bien que les aciers de l'invention puissent être rendus plus résistants de façon à présenter une limite élastique de 690 N/mm ou plus, par comparaison à une valeur qui est seulement de 375 N/mm2 pour l'Acier A, ils présentent dans la condition ramollie des résistances comprises entre 275 et-430 N/mm2 et un allongement sous traction d'environ 30%. Dans cette condition, on peut facilement les mettre en oeuvre et ils satisfont au critère d'une formabilité acceptable, à savoir un allongement (sur un échantillon de 50,8 mm de longueur) d'au moins 25% (ce qui est important pour un formage par allongement) et une Réduction de Section ou Striction d'au moins 60% (ce qui est important pour un formage par flexion). La bonne emboutissabilite de l'Acier N0 1 est démontrée par les résultats d'un essai de réalisation de cuvette Olsen qui a été exécuté sur un échantillon d'une tale laminée à froid à 1,3 mm et qui a été ramolli par chauffage à 6770C pendant 48 heures puis par refroidissement par air. La hauteur moyenne de la cuvette Olsen a été de 11,1 mm, ce qui est une valeur se comparant favorablement à celle dJun acier AISI 1008. La bonne formabilité des aciers est très remarquable en ce qui concerne leur très grande résistance. Comme exemple d'utilisation d'aciers au chrome-manga nèse, on a réalisé six aciers présentant les compositions indiquées dans le Tableau III, les Aciers 4 à 7 étant conformes à l'invention et les Aciers B et C étant donnés à titre de comparaison. Le complément de la composition a été constitué dans chaque Oas par du fer et des impuretés. Les aciers ont été fabriqués par fusion par induction à l'air de nattières premières d'une pureté du commerce et en coulant les métaux en fusion sous forme de lingots, les lingots étant ensuite réchauffés à 109300 et travaillés à chaud jusqu'à une épaisseur dé 3 à 13 mm. On a déterminé les propriétés de résistance à la trac- tion et de résilience à la température ambiante pour les aciers précités après les phases de traitement thermique de ramollissement et d'augmentation de résistance utilisés dans l'invention, les résultats étant indiqués dans le Tableau W. T A B L E A U III Acier C Mn Si Cr Mo Ti Al Facteur de N (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) base 4 0,035 3,05 0,19 3,07 - - 0,11 6,39 5 0,092 2,35 0,19 3,0 - - 0,11 5,91 6 0,058 2,18 0,21 3,75 - - 0,09 6,32 7 0,056 2,32 0,20 3,07 - - 0,11 5,77 B* 0,062 1,63 0,19 0,50 0,2 - 0,12 3,26 C 0,060 1,11 0,78 3,0 - 0,18 0,11 4,65 * = contenant 0,76% Ni. T A B L E A U IV Acier Conditions de traitement Limite Charge Allon- Stric N élastique de rup- gement tion Résilience (N/mm) ture (%) (%) (kgm/cm) (N/mm) 4 (a) Laminé à chaud/RA 696 1022 18 73,5 (b) Laminé à chaud/RA+45 h/677 C/RA 358 621 29 75 (c) Laminé à chaud/RA + laminé à froid + 275 553 32,5 70,5 45 h/677 C/RA (d) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 741 993 18 68 3,9 +0,5 h/972 C/RA (e) Laminé à chaud/RA + 5 h/663 C/RA 515 799 - 72,5 5 (a) Laminé à chaud/RA 825 1238 16,5 64,5 (b) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 366 562 32,5 76 (c) Laminé à chaud/RA + laminé à froid + 271 506 36,5 73 45 h/677 C/RA (d) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 857 1272 18 59 5,8 +0,5 h/972 C/RA 6 (a) Laminé à chaud/RA + 48 h/690 C/RA 329 504 36,5 76,5 (b) Laminé à chaud/RA + 48 h/690 C/RA 773 1110 16,5 56,5 4,0 +0,5 h/899 C/RA 7 (a) Laminé à chaud/RA 742 1022 18 73,5 (b) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 341 517 34,5 78 (c) Laminé à chaud/RA + laminé à froid + 271 469 36,5 73 45 h/677 C/RA (d) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 751 1121 165 63,5 7,2 +0,5 h/954 C/RA ./..... T A B L E A U IV (suite) Acier Conditions de traitement Limite Charge Allon- Stric N élastique de rup- gement tion Résilience (N/mm) ture (%) (%) (kgm/cm) (N/mm) B (a) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 333 436 38 78,5 (b) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 283 558 32,5 68 +0,5 h/927 C/RA C (a) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 411 606 29 76 (b) Laminé à chaud/RA + 45 h/677 C/RA 307 586 31 69,5 +0,5 h/927 C/RA RA = Refroidissement par air. I1 est A noter que, bien qu'on puisse augmenter la résistance des aciers Nos 4 à 7 de façon à obtenir une limite élastique de 690 N/mm ou plus, ils présentent dans la condition ramollie des limites élastiques comprises entre 270 et 370 N/mm2 et un allongement d'au moins environ 30%. Dans cette condition, on pourrait commodément les mettre en oeuvre en satisfaisant au critère de formabilité acceptable défini ci-dessus. La bonne emboutissabilite de l'acier NO 6 a été mise en évidence par les résultats d'un essai de réalisation de cu vette Olsen exécuté sur un échantillon de tôle laminée à froid à 1,3 mm, cet échantillon ayant été ramolli par chauffage à 69000 pendant 48 heures puis par refroidissement par air. La hauteur moyenne de la cuvette Olsen a été de 10,4 mm, cette valeur se comparant favorablement avec l'acier AISI 1008. Le procédé et les aciers de l'invention conviennent particulièrement bien ourla fabrication de pare-chocs d'automobiles et d'autres pièces d'automobiles, telles que des panneaux de carrosserie, des bacs à huile et des roues. Les aciers sont également soudables et le procédé peut par conséquent être aussi utilisé pour fabriquer des structures soudées telles que des supports de pare-chocs, des éléments de châssis et des pièces tubulaires soudées de haute résistance. REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication d'un produit en acier, caractérisé en ce qu'on soumet un acier au chrome contenant jusqu'à 0,3% de carbone, jusqu'à 6% de chrome et un ou bien les deux éléments suivants, à savoir jusqu'à 3% de nickel et jusqu'à 4% de manganèse, et facultativement un ou plusieurs des éléments suivants, à savoir jusqu'à 4 de manganèse, et facultativement un ou plusieurs des éléments suivants, à savoir jusqu'à 4% de molybdène, jusqu'à 1,25% de cuivre, jusqu'à 1% d'aluminium et jusqu a 1% de silicium, le complément étant formé de fer, mises à part les impuretés, à la condition que les teneurs en constituants soient liées par la relation suivante 5(%C)+(%Cr)+2/3(%Ni)+(%Mn)+(%Mo)+2/3(%Cu)+1/2(%Al)+1/4(%Si)#5 et présentant une structure initialement martensitique, aux phases suivantes (i) ramollissément de l'acier présentant une structure ini tialement martensitique en le chauffant au-dessus de sa température de recristallisation mais en dessous de sa température AI (ii) refroidissement de l'acier à une température désirée pour le formage (iii) formage de l'acier à la forme désirée (vi) chauffage du produit formé à une température supérieu re à la température A3 de l'acier de tanière à rendre l'acier austénitique, et (v) refroidissement de la structure. 2) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on lamine à froid l'acier avant la phase de ramollissement. 3) Procédé suivant i'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on ramolli l'acier en le chauffant à une température comprise entre 649 et 7320C pendant 24 à 48-heures. 4) Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la phase (iv) consiste en un chauffage à une température comprise entre 816 à 899 C pendant au moins 10 minutes. 5) Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'acier utilisé est tel qu'on ait la relation : 5(%C)+(%Cr)+2/3(%Ni)+(%Mn)+(%Mo)+2/3(%Cu)+1/2(%Al)+1/4(%Si)#5,5 6) Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la teneur en carbone de l'acier utilisé ne dépasse pas 0,2%. 7) Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'acier utilisé présente une teneur en carbone comprise entre 0,05 et 0,15% et contient de 2 à 4% de chrome et au moins 1,25% de nickel, en ce que sa teneur en molybdène ne dépasse pas 0,5%, sa teneur en chrome ne dépasse pas 1%, sa teneur en silicium ne dépasse pas 0,5% et sa teneur en aluminium ne dépasse pas 0,2%. 8) Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier utilisé contient de 0,01 à 0,1% de carbone, de 2,5 à 3s5% de chrome et de 1,5 à 2,5% de nickel. 9) Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'acier utilisé a une teneur en carbone de 0,05 à 0,15% et contient de 2 à 4% de chrome et de 1,5 à 3,5% de manganèse, et en ce que sa teneur en molybdène ne dépasse pas 0,5%, sa teneur en cuivre ne dépasse pas 1%, sa teneur en silicium ne dépasse pas 0,5% et sa teneur en aluminium ne dépasse pas 0,2%. 10) Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que l'acier utilisé contient de 0,01 à 0X1% de carbone, de 2,5 à 3,5% de chrome et de 1,75 à 3,25% de manganèse. 11) Acier au nickel-chrome approprié pour être utilisé dans le procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient jusqu 0,3% de carbone, jusqu'à 6% de chrome, jusqu'à 3% de nickel et facultativement un ou plusieurs des éléments suivants, à savoir jusqu'à 4% de molybdène, jusqu'à 1s25% de cuivre, jusqu'à 4% de manganèse, jusqu'à 1% d'aluminium et jusqu'à 1% de silicium, le complément étant constitué par du fer, mises à part les impuretés, à la condition que les teneurs en constituants soient liées par la relation suivante 5(%C)+(%Cr)+2/3(%Ni)+(%Mn)+(%Mo)+2/3(%Cu)+1/2(%Al)+1/4(%Si)#5,5 13) Acier suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la teneur en carbone ne dépasse pas 0,2%. 14) Acier suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la teneur en carbone est comprise entre 0,005 et 0,15%, en ce que la teneur en chrome est comprise entre 2 et 4%, la teneur en nickel est d'au moins 1,25%, la teneur en molybdène ne dépasse pas 0,5%, la teneur en cuivre ne dépasse pas 1%, la teneur en silicium ne dépasse pas 0,5% et la teneur en aluminium ne dépasse pas 0,2%. 15) Acier suivant la revendication 14, caractérisé en ce que la teneur en carbone est comprise entre 0,01 et 0,1%, la teneur en chrome est comprise entre 2,5 et 3,5% et la teneur en nickel est comprise entre 1,5 et 2,5%. 16) les produits obtenus par le procédé selon llune des revendications 1 à 10 en acier selon l'une des revendications 11 à 15.