Brevet FR2470163A1 — publié le 19810529

1.- La présente invention concerne un procédé de fabri- cation d'une tôle d'acier laminée à froid, à deux phases,ayant une faible limite élastique, un faible rapport limite élasti- que/résistance à la traction et une haute ductilité tout en ayant une résistance à la traction comprise entre 39 et 78 bars.Des bandes en acier, ainsi que des tôles en acier décou- pées seront appelées ci-après "tôles". Récemment dans l'industrie automobile, on s'est efforcé de réduire le poids des caisses-dans le but,en particu- lier,de réduire la consommation de carburant. Etant donné que la diminution du poids entraîne une diminution de l'épaisseur des tôles constituant la caisse, il est essentiel d'utiliser des tôles ayant une résistance mécanique élevée pour répondre à cet objectif ainsi que pour avoir l'assurance de la sécurité. Il est maintenant des plus courants d'utiliser dans l'indus- trie automobile des tôles ayant une résistance à la traction élevée. Pour satisfaire les exigences de l'industrie auto- mobile, il est nécessaire que les aciéries fournissent des tô- les de meilleure qualité que les tôles laminées à froid clas- siques à résistance à la traction élevée et cela à des prix plus bas. Une tôle classique laminée à froid ayant une résis- tance à la traction élevée, à deux phases, et un procédé de 2. fabrication de cette tôle sont décrits, par exemple, dans la demande de brevet japonais Sho 50-98419, o un acier con- tenant du carbone et du manganèse, et si nécessaire entre 0,1 et 0,7 % de silicium, est chauffé jusqu'à la zone de coexistence des deux phases (a + y)déterminée par les dia- grammes d'équilibre de phases, puis refroidi relativement rapidement jusqu'à une température de 5000C avec une vitesse moyenne de refroidissement comprise entre 0,5 et 300C par seconde, de façon à obtenir une structure d'acier constituée principalement de ferrite et du produit de transformation ob- tenu par refroidissement rapide et contenant en partie l'aus- ténite résiduelle. Un objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication d'une tôle d'acier laminée à froid ayant une résistance à la traction élevée à deux phases, dont l'aptitude au travail est excellente par combinaison du re- froidissement suivant l'étape de maintien à la température d'homogénéisation, en particulier d'un recuit en continu, et de la composition chimique des aciers de départ. La tôle d'acier obtenue par le procédé de la pré- sente invention a une faible limite élastique, tout en ayant une résistance à la traction comprise entre 39 et 78 bars et un allongement élevé. Par conséquent, la tôle obtenue par le procédé de la présente invention présente des avantages sur les points suivants. La limite élastique est liée au phénomène de "re- tour en arrière" de la tôle lorsqu'elle est soumise à un formage sur presse. Par conséquent, la faible valeur de la limite élastique (faible valeur du rapport limite élastique/ résistance à la traction) assure un meilleur montage de la tôle dans le moule de la presse et donc une meilleure forme après formage, de sorte que l'on peut réduire sensiblement les charges appliquées à la presse de formage. La présente invention peut contribuer à satisfaire les exigences de l'in- dustrie automobile en matière de tôles d'acier ayant une ré- sistance à la traction élevée, avec des prix plus faibles, car une tôle d'acier à résistance à la traction élevée, à 3. deux phases, peut être fabriquée avec de bas coûts de produc- tion et des quantités moins importantes en éléments d'allia- ge. La ductilité élevée de la tôle d'acier obtenue selon le procédé de la présente invention peut naturellement donner l'assurance d'un degré élevé d'aptitude au travail. A cet égard, la présente invention est particulièrement remarqua- ble. Par ailleurs, les tôles d'acier classiques utili- sées dans la réalisation de l'enveloppe extérieure des cais- ses d'automobile a une épaisseur d'environ 0,8 mm. Cependant, comme cela a été indiqué ci-dessus, on s'est efforcé de rédui- re le poids des caisses, et une façon d'y parvenir a constitué à réduire l'épaisseur des tôles. Cependant, dans la tentative de réduction de l'épaisseur des tôles, un problème a surgi qui concerne la résistance au bossellement, c'est-à-dire la résistance au bos- sellement local de la tôle. La résistance au bossellement dé- pend de l'épaisseur et de la résistance à la traction de la tôle. La vraie raison de l'utilisation d'une tôle d'acier de faible épaisseur et de résistance à la traction élevée pour réaliser l'enveloppe extérieure des caisses d'automobiles est l'amélioration de cette résistance au bossellement. Par-consé- quent,la présente invention présente l'avantage industriel re- marquable qu'elle permet d'obtenir une tôle ayant une meilleu- re résistance au bossellement, avec une résistance à la trac- tion élevée, dont l'aptitude au travail est néanmoins satisfai- sante, avec une faible limite élastique et un allongement éle- vé, et elle a une grande importance sur le plan industriel en ce sens que la tôle d'acier ainsi obtenue peut satisfaire les exigences de l'industrie automobile et remplacer les tôles classiques en acier doux servant à la réalisation de l'enve- loppe extérieure des caisses d'automobiles. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lesquels: Les figures l(a), (b) et (c) représentent respecti- 4. vement la tendance à la formation-d'une structure en deux phases en fonction de diverses teneurs en carbone et en man- ganèse en combinaison, pour une certaine vitesse de refroi- dissement. a L'une des caractéristiques principales de la présen- te invention comme cela a été indiqué précédemment est de faire appel à une vitesse de refroidissement très élevée, de l'ordre de 30 à 300'C par seconde, pour le refroidissement jusqu'à une température ne dépassant pas 2500C dans un procé- dé de recuit en continu. De façon à atteindre les objets de la présente invention avec un refroidissement aussi rapide, le matériau en acier de départ doit satisfaire les conditions suivantes en ce qui concerne sa composition chimique. Lorsque la teneur en carbone est inférieure à 0,01 %, la structure pouvant être obtenue par le refroidissement rapide n'est pas suffisante, mais, d'autre part, lorsque cet- te teneur est supérieure à 0,12 %, la quantité de produit de transformation due au refroidissement rapide est excessi- ve, de sorte qu'il est difficile d'obtenir une structure à deux phases ayant la conductibilité élevée souhaitée par la présente invention. Dans ce cas, le produit de transforma- tion est constitué de martensite et d'austénite non transfor- mée. Le manganèse permet d'augmenter la trempabilité de la phase y, de façon à promouvoir le produit de transforma- tion par refroidissement rapide pendant l'étape de refroidis- sement, et à renforcer la matrice de ferrite, par conséquent à augmenter la ductibilité. Cependant, des teneurs en manga- nèse inférieures à 1,0 % ne sont pas suffisantes pour obtenir la trempabilité désirée. D'autre part, des teneurs en manga- nèse dépassant 1,8 % ne sont pas souhaitables car la soudabi- lité est détériorée et certains inconvénients se présentent sur le plan économique. L'aluminium est essentiel pour la désoxydation de l'acier, mais une teneur inférieure à 0,01 % d'aluminium n'est pas suffisante dans ce but. Par ailleurs, des teneurs en aluminium ne dépassant pas 0,10 % sont convenables pour 5. cela. Le silicium n'est pas essentiel, et une teneur ne dépassant pas Ol % de silicium est suffisante, mais dans le but d'augmenter la ductilité de la structure en deux phases, il peut être ajouté suivant une quantité ne dépassant pas 1,2 %. Des teneurs en silicium supérieures à 1,2 % auront des effets néfastes sur l'aptitude à la peinture et la résis- tance à la corrosion des tôles d'acier résultantes. Par con- séquent, la limite supérieure de la teneur en silicium est de 1,2 %. Dans le but d'augmenter encore la résistance à la traction du chrome, du cuivre et du nickel, chaque métal étant présent avec une teneur ne dépassant pas 1 %, peuvent être ajoutés, et pour améliorer l'aptitude à la flexion, du calcium, des métaux des terres rares et du zirconium, chacun étant présent avec une teneur inférieure à 0,1 %, peuvent être ajoutés. Le matériau de départ ayant la composition chimique indiquée ci-dessus est traité en brames par un procédé de cou- lage en continu classique ou par un procédé de rupture de lingots, puis les brames sont laminées à chaud et laminées à froid pour donner des tôles laminées à froid, et les tôles laminées à froid ainsi obtenues sont soumises à un processus de recuit en continu qui constitue l'une des caractéristiques de la présenteinvention. Le maintien à la température d'homogénéisation dans le processus de recuit en continu doit être exécuté dans une gamme de température comprise entre 730 et 8000C pendant une durée comprise entre 20 secondes et 2 minutes pour les raisons suivantes. Le maintien à la température d'homogénéisation à une valeur inférieure à 7300C et pendant une durée inférieu- re à 20 secondes ne permettra pas d'obtenir une quantité suf- fisante de y et une concentration suffisante de carbone, de manganèse, etc... dans la phase y nécessaire à l'obtention de l'austénite résiduelle souhaitée, et même si un refroidisse- ment rapide est exécuté, la structure désirée à deux phases 6. ne peut être obtenue et il est par conséquent impossible de produire une tôle d'acier ayant une résistance à la traction et une ductilité bien équilibrées. D'autre part, le maintien à la température d'homogénéisation à une valeur dépassant 8000C aura pour effet de donner une quantité excessive de y et la concentration en manganèse dans la phase y se trouvera diluée, de sorte que, même avec un refroidissement rapide, la quantité désirée d'austénite résiduelle ne pourra être produi- te, et au lieu de cela, la quantité de martensite dure aug- mentera. Ainsi, la tôle d'acier résultante ne sera pas équili- brée en matière de résistance à la traction et de ductilité. La limite supérieure du temps de maintien à la température d'homogénéisation est de 2 minutes, bien qu'un temps plus long puisse être employé. Cependant, un temps plus long né- cessite un four de longueur plus importante et cela n'est pas souhaitable sur le plan des investissements et du prix de revient. Le refroidissement suivant le maintien à la tempé- rature d'homogénéisation est exécuté à une vitesse de refroi- dissement comprise entre 30 et 300'C par seconde, de préfé- rence entre 100 et 3000C par seconde jusqu'à la température de 2500C. La raison pour laquelle le point terminal du re- froidissement rapide est établi à 250'C est que, si ce refroi- dissement rapide est terminé à une température supérieure à cette valeur, l'austénite résiduelle se transforme en marten- site de sorte qu'une stucture en deux phases ne peut être ob- tenue. Concernant la vitesse de refroidissement, on notera que lorsque cette vitesse est inférieure à 30'C par seconde, il est impossible d'obtenir une structure en deux phases avec la composition à faible teneur en alliages définie par la présente invention, et lorsque la vitesse de refroidisse- ment dépasse 3000C par seconde, la ductilité de l'acier ré- sultant est faible. S'agissant de la ductilité, elle ne chan- ge pas sensiblement si la vitesse de refroidissement est com- prise entre 30 et 3000C par seconde. Il est difficile d'ob- tenir une valeur de la vitesse de refroidissement comprise 2470 163 7. dans la plage précédente par refroidissement par liquide ou par refroidissement par immersion dans l'eau,mais elle peut être facilement obtenue par refroidissement par vapeur-liqui- de en soufflant unmélange de vapeur et de liquide sur la tôle d'acier. Un avantage supplémentaire de ce-refroidissement par vapeur-liquide est que l'on obtient un refroidissement uniforme sur la largeur de la tôle, et par conséquent une qua- lité uniforme du matériau. Les tôles d'acier après le processus de recuit en îo continu sont soumises à un redressement, en général avec une réduction d'environ 10 %. Les exemples suivants ont pour but d'illustrer la présente invention. Des brames en acier ayant les compositions différen- tes indiquées dans le tableau I sont préparées et laminées à chaud pour être transformées en bandes laminées à froid d'une épaisseur de 2,5 mm, puis sont laminées à froid pour donner des bandes laminées à froid d'une épaisseur de 0,7 mm. Ces bandes d'acier laminé à froid sont soumises à un recuit en continu avec maintien à la température d'homogénéisation à une valeur de 7700C pendant 40 secondes, et refroidies jus- qu'à la température ordinaire suivant diverses vitesses de refroidissement comprises entre 100C et environ 10000C par seconde (refroidissement à l'eau). Les propriétés des tôles résultantes sont également indiquées dans le tableau I. Selon le processus de recuit en continu classique, la vitesse de refroidissement après le maintien à la tempé- rature d'homogénéisation est d'environ 10'C par seconde.Avec une vitesse de refroidissement aussi faible, il est impossi- ble d'obtenir une tôle d'acier à deux phases ayant une fai- ble limite élastique et un faible rapport limite élastique/ résistance à la traction à moins que la quantité d'éléments d'alliage (Mn) soit importante comme dans le cas de l'acier D. En outre, cette tôle de l'art antérieur a l'inconvénient que la teneur en manganèse augmentant, la soudabilité se dé- tériore et les coûts de production augmentent. Lorsque la vitesse de refroidissement est mainte- 8. nue dans la plage comprise entre 30 et 3000C par seconde comme cela est défini dans la présente invention, une struc- ture à deux phases satisfaisante peut être obtenue même avec une quantité plus petite d'éléments d'alliage, et la ductilité résultante ne change pas sensiblement, comme le montrent les aciers A à C et E à I. D'autre part, lorsque la vitesse de refroidisse- ment est encore augmentée pour être portée à 3500C par se- conde (pulvérisation d'eau) ou à 10000C par seconde (immer- sion dans l'eau), la ductilité résultante est remarquablement détériorée et l'objet de la présente invention ne peut être atteint. Dans les figures 1(a), (b) et (c) représentant la relation entre la vitesse de refroidissement et la formation de la structure en deux phases pour diverses teneurs en car- bone et en manganèse, les valeurs numériques représentent la limite élastique en pourcent et le rapport de 50 % entre limite élastique et résistance à la traction est adopté com- me frontière de la structure à deux phases. TABLEAU I ___ _ IComposition () i Vitesse de refroidissement (UC/sec) J- - 1- - -10 ==20 30 L.E. R.T. A. L.E. R.T. Ai. x L.E. R.T. A. xl I Mn I 1sil cr -AlIs I M= I( x C Mn Si Cr A.barsbar (%) Présente A 21, 9 47,8 35,0 0 B 20,8 44,4 35,9 0 C 20,1 48,9 35,5 0 D 24,9 53,3 29,C 026 55,4 28,4 0 26,9 57, 5 28,0 0 29,2 59,8 23,0 30,6 61, 8 20j2 E 30,7 61,5 29,E O27,1 64,8 28,4 0 27,6 67,7 27,5 0 31,4 73,5 19,8 34,2 79,4 15,2 F 31,4 64 29, 0 29,5 66,7 27,2 0 31,4 68,7 26,2 0 33,2 70,5 21,0 34,2 70, 7 16,1 1 G 28,6 63 27, 0 28,2 64,8 27,3 0 34,6 72,7 20,2 39,3 80,2 16,4 H 32,2 69,9 28, 0 31,9 70,2 27,0 0 36,5 74,1 19,6 40,8 82,7 17,2 # I 34,8 70,6 24,0 0 38,176 18,0t xl O Structure en deux phases satisfaisante (rapport entre limite élastique et résis- tance à la traction de 50 % ou moins). x Structure en deux phases non satisfaisante (rapport entre limite élastique et résistance à la traction de 50 % ou plus). Malgré la structure en deux phases satisfaisante, la ductilité est très faible. o o ou wu 1l. La présente invention n'est pas limitée aux ezemples de réalisation qui viennentd'être décrits, elle est au con- traire susceptible de variantes et de modifications qui appa- raitront à l'homme de l'art. 12. - REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'une tôle d'acier la- minée à froid de résistance à la traction élevée, à deux - phases, ayant une excellente aptitude au travail, caractéri- sé en ce qu'il comprend: - le laminage à chaud d'un acier contenant entre 0,01 et 0,12 % de carboneentre 1,0 et 1,8 % de manganèse, entre 0,01 et 0, 10 % d'aluminium en solution, le reste étant constitué de fer et des impuretés inévitables; et - le laminage à froid de la tôle d'acier laminée à chaud, la soumission de la tôle laminée à froid à un re- cuit en continu comprenant le maintien à la température d'ho- mogénéisation dans une gamme de température comprise entre 730 et 800'C pendant une durée comprise entre 20 secondes et 2 minutes, et le refroidissement jusqu'à la température de 2500C ou-moins suivant une vitesse de refroidissement compri- se entre 30 et 3000C par seconde. 2 - Procédé de fabrication d'une tôle d'acier la- minée à froid de résistance à la traction élevée, à deux pha- ses, ayant une excellente aptitude au travail, caractérisé en ce qu'il comprend:- - - le laminage à chaud d'un acier contenant entre 0,01 et 0,12 % de carbone, plus de 0,1 % mais moins de 1,2 % de silicium, entre 1,0 et 1,8 % de manganèse, entre 0,01 et 0,10 % d'aluminium en solution, le reste étant constitué de fer et des impuretés inévitables; et - le laminage à froid de la tôle d'acier laminée à chaud,la soumission de la tôle laminée à froid à un recuit en continu comprenant le maintien à la température d'homogé- néisation dans une gamme de température comprise entre 730 et 800'C pendant une durée comprise entre 20 secondes et 2 minu- tes, et le refroidissement jusqu'à la température de 250'C ou moins suivant une vitesse de refroidissement comprise entre et 3000C par seconde. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement est comprise entre et 300'C par seconde. 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé 13. en ce que la vitesse de refroidissement est comprise entre et 3000C par seconde. - Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en e que le refroidissement est effectué avec un mélan- ge vapeur-eau. 6 - Procédé selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que le refroidissement est effectué avec un mélan- ge vapeur-eau.