Brevet FR2582017A1 — publié le 19861121

Procédé pour produire un acier à haute résistance ayant d'excellentes propriétés après travail mécanique à chaud. La présente invention concerne un procédé pour produire des aciers à haute résistance par ce qu'on appelle le procédé TMCP (procédé de contrôle thermomécanique), qui possèdent d'excellentes propriétés après travail mécanique à chaud. Les aciers destinés à tre utilisés comme matériaux pour les constructions en mer ou analogues doivent avoir une grande résistance et une ténacité élevée et ce type d'aciers a été classiquement produit par un traitement de recuit ou de trempe- revenu. Récemment on a proposé des techniques telles que le laminage contrôlé ou le refroidissement accéléré pour produire des tôles d'acier de forte épaisseur et elles ont été proposées comme procédé TMCP et ont été appliquées à des aciers pour construc- tions en mer. 2 258 20 17 On confère aux aciers du type TMCP la grande résistance et la haute ténacité par laminage dans les gammes des basses tempé- ratures de l'austénite ou dans la gamme intercritique (a + y), ou autrement par contrôle de la transformation de l'austénite en ferrite par refroidissement accéléré après laminage. Les aciers pour les constructions en mer sont soumis à une flexion lors de leur mise en oeuvre et généralement des aciers de petite épaisseur ou de faible résistance sont réalisés par travail mécanique à froid tandis que les aciers de forte épais- seur sont réalisés par travail mécanique à chaud. Si l'acier du type TMCP était réchauffé jusqu'à la gamme austéni- tique pour le travail mécanique à chaud, ses propriétés seraient plus altérées que celles des matériaux classiques. Bien que, dans le travail mécanique à froid, il ne se pose aucun problème en ce qui concerne les propriétés mais comme il a été possible de produire des aciers de haute résistance et de forte épaisseur, un problème se pose du fait que le travail mécanique à froid ne peut pas être effectué en raison des capacités des presses. En vue d'un tel problème, un procédé de travail mécanique à chaud qui consiste à traiter l'acier après qu'il ait été chauffé dans la gamme à haute température a ou dans la gamme inter- critique (a + y), a été appliqué aux aciers TMCP de haute résis- tance ou de forte épaisseur et il existe de nombreuses proposi- tions en ce qui concerne cette technique. Cependant on n'a jamais mis au point jusqu'à maintenant un procédé permettant d'obtenir des propriétés mécaniques appropriées après l'opération de travail mécanique à chaud. La présente invention a été mise au point à partir des considé- rations ci-dessus mentionnées des techniques classiques et elle a pour but de produire des aciers qui aient des propriétés mécaniques excellentes après le processus de travail mécanique à chaud par spécification des conditions concernant la composi- tion de l'acier, le laminage à chaud et le processus de travail mécanique à chaud. En ce qui concerne la composition chimique, le présent procédé fixe les limites pour de tels aciers à: 0,03 à 0,20% de C, pas plus de 0,6% de Si, de 0,5 à 2,0% de Mn, de 0,005 à 0,08% d'Al. sol, le reste étant Fe et les impuretés inévitables. En outre on peut ajouter un ou plusieurs des éléments suivants: Nb: 0,005 à 0,1%, V: 0,005 à 0,15%, Ti: 0,005 à 0,15%, Cu: pas plus de 1,0%, Cr: pas plus de 1,0%, Ni: pas plus de 3,5%, Mo: pas plus de 1,0% et B: 0,0005 à 0,003%. L'acier ayant la composition ci-dessus mentionnée est soumis à un laminage contrôlé dans des conditions de températures qui ne sont pas supérieures à 900 C et un taux de réduction total qui n'est pas supérieur à 30%. Après le laminage contrôlé, l'acier peut être laissé en l'état à l'air ou bien il peut être soumis à un refroidissement accéléré au cours duquel l'acier est refroidi, à un taux compris entre le refroidissement à l'air et 100 C/s jusqu'à ce qu'il atteigne des températures o la transformation est terminée. Ensuite il-est chauffé dans une gamme comprise entre 400 C et 750 C, et instantanément ou après refroidissement à l'air, il est travaillé à chaud à des tempé- ratures comprises entre 250 C et 750 C. Par le procédé décrit ci-dessus, il est possible de produire un acier ayant des propriétés excellentes après le processus de travail mécanique à chaud. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî- tront à la lecture de la description ci-après faite avec réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un graphique montrant les variations des caractéristiques mécaniques d'un matériau TMCP et normalisé en fonction des températures de chauffage, et la figure 2 est un graphique montrant la relation entre les températures de travail mécanique à chaud et les propriétés mécaniques. On va maintenant donner une explication en ce qui concerne la condition la plus caractéristique du processus de travail mécanique à chaud. La Figure 1 représente les propriétés mécaniques d'un matériau normalisé classique (repérées par O) et d'un matériau TMCP (repérées par A) qui sont soumis à un refroidissement accéléré après le laminage contrôlé, qui sont chauffés à des tempéra- tures comprises entre 500 et 750 C et qui sont soumis à un travail mécanique à chaud de 10% à la température de 500 C. Comme on le voit d'après ce graphique, le matériau TMCP est meilleur que le matériau normalisé à une température comprise entre 500 C et 650 C mais il est presque au même niveau à la température de 750 C. On suppose que les effets du laminage contrôlé et du refroidissement accéléré sont maintenus pour une température de chauffage inférieure à Ac1, ce qui permet d'obtenir des propriétés de haute qualité, mais, d'autre part, lors d'un réchauffage dans la gamme intercritique (a + y) au- dessus de Acl, la structure de l'acier est modifiée, ce qui élimine les effets du laminage contrôlé et du refroidissement accéléré. La figure 2 montre la relation entre la température de travail mécanique à chaud et les propriétés mécaniques lorsque le maté- riau normalisé (repéré par O) et le matériau TMCP (repéré par ( et--1) sont réchauffés à la température de 650 C et sont maintenus pendant une heure à cette température, puis sont travaillés à chaud aux températures-respectives. La figure mon- tre que les aciers (A et 2) de type TMCP ont une excellente ténacité par comparaison à l'acier normalisé (O), et que de l'acier avec addition de Nb (A) possède une limite élastique 2582017 élevée. Bien que la température de travail mécanique à chaud soit comprise entre 400 et 250 C, on obtient des propriétés satisfaisantes et aucune crique n'est observée. Les compositions chimiques du matériau normalisé (0O) et des matériaux TMCP (A et]) sont indiquées ci-dessous. C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Matériau 1 normalisé O 0,10 0,39 1,56 0,008 0,002 0,18 0,28 - - Matériau A 0,06 0,32 1,56 0,008 0,001 0,25 0,41 - - TMCP [ 0,07 0,30 1,47 0,011 0,001 0,21 0,36 - - _ Ti Nb V B Al.sol. - 0,29 - - 0,025 0,01 0,009 - - 0,063 0,01 - - - 0,060 L'acier produit dans les conditions appropriées de laminage contrôlé ou de refroidissement accéléré présente les conditions appropriées de sorte qu'on peut produire un acier ayant des propriétés mécaniques excellentes qui n'ont jamais été obtenues dans les matériaux antérieurs. La présente invention limite les températures de réchauffage entre 400 et 750 C, de préférence entre Ac1 et 400 C, et les températures de travail mécanique à chaud entre 250 et 750 C, de préférence entre Ac1 et 400 C. Une raison de la détermination de la limite supérieure de la température est conforme à ce qui a été indiqué ci-dessus. En ce qui concerne la température de chauffage, si la limite infé- rieure était en dessous de 400 C, la température de travail mécanique à chaud devrait être abaissée et on exploiterait moins les avantages du processus de travail mécanique à chaud. En ce qui concerne la température de travail mécanique à chaud, si elle était inférieure à 250 C, on n'exploiterait pas aussi bien les avantages du processus de travail mécanique à chaud, et la limite inférieure est fixée de préférence à 400 C de façon à éliminer la gamme de fragilité du chauffage au bleu. Apres un réchauffage jusqu'à la température mentionnée ci-dessus, le processus de travail mécanique à chaud peut être effectué instantanément ou bien après refroidissement à l'air et, si ce processus est effectué en tenant compte des températures spé- cifiées ci-dessus, on peut obtenir les avantages assurés par la présente invention. La vitesse de refroidissement après le processus de travail mécanique à chaud a peu d'influence sur les propriétés et en conséquence elle n'est pas limitée spécialement. On va donner d'autres explications concernant les raisons des limites de composition et autres conditions de production. C: 0,03% est nécessaire pour conférer à ce type d'acier la résistance nécessaire d'une manière très économique et très efficace mais, si la teneur en carbone était supérieure à 0,2%, la soudabilité serait considérablement altérée et c'est pourquoi on limite cette teneur entre 0,03% et 0,2%. Si: cet élément est efficace pour augmenter la résistance mais, du fait qu'une addition trop importante altère la soudabili- té, on limite la teneur en Si à 0,6%. Mn: il est ajouté comme un élément de base pour améliorer la résistance et la ténacité de l'acier mais, si sa teneur était inférieure à 0,5%, son influence serait faible alors que, si la teneur était supérieure à 2,0%, la soudabilité serait altérée et c'est pourquoi on limite la teneur entre 0,5 et 2,0%. Al.sol.: au moins 0,005% est nécessaire pour désoxyder l'acier; puisque son effet est saturé au delà-de 0,08% on limite la teneur entre 0,005 et 0,08%. Les éléments mentionnés dans la suite peuvent, si nécessaire, être ajoutés à la composition de base précitée. Cu, Cr, Ni et Mo: par addition de ces éléments, le durcissement en solution solide et la résistance peuvent être amé- 0 liorés par des modifications de la structure basées sur l'augmentation de la propriété de trempe de l'acier mais, du point de vue de la soudabilité et de la renta- bilité, Cu, Cr et Mo ont une limite supérieure de 1,0% et Ni une limite supérieure de 3,5%. Nb, V et Ti: ces éléments ont des effets remarquables pour améliorer la ténacité aux basses températures et pour augmenter la résistance et ils sont ajoutés lorsque des applications l'exigent, et il est nécessaire 0 d'ajouter l'un quelconque d'entre eux avec une teneur supérieure à 0,005% pour obtenir ledit effet, la limite inférieure étant fixée à 0,005%. Pour une addi- tion supérieure, la soudabilité serait altérée et en conséquence la teneur limite supérieure de Nb est de 0,10% tandis qu'elle est respectivement de 0,15% pour V et Ti. B: il a une grande influence pour augmenter l'aptitude à la trempe et pour accroître la résistance mais, si sa teneur est inférieure à 0,0005%, l'effet obtenu est ) faible alors que, si la teneur dépasse 0,003%, la soudabilité est altérée. En conséquence la gamme est comprise entre 0,0005 et 0,003%. Selon l'invention, l'acier ainsi contrôlé est soumis à un lami- nage à chaud tel que la réduction totale de section en dessous de 900 C soit supérieure à 30%. Avec un taux de réduction infé- rieur à 30%, on ne pourrait pas obtenir suffisamment les effets du laminage contrôlé et la résistance et la ténacité seraient insuffisantes. En d'autres termes, pour effectuer le laminage contrôlé des aciers utilisables en pratique, la réduction est effectuée dans la gamme de non recristallisation de l'austénite et la structure transformée doit être fine. Dans les aciers conte- nant Nb, V et Ti, la limite supérieure de la température de la gamme de non-recristallisation est de 900 C et cette température est fixée comme limite supérieure. Dans les aciers ne contenant pas les éléments précités, la limite supérieure est de 900 C moins environ 50 C mais, dans l'opération réelle, si la limite supérieure est fixée à une valeur non supérieure à 900 C, les différences seront faibles et en conséquence la limite infé- rieure est fixée à 900 C. Apres le laminage à chaud, l'acier peut être laissé à l'air ou bien on effectue le refroidissement accéléré. En ce qui concerne les conditions de refroidissement accéléré après le laminage à chaud, puisque l'effet d'amélioration des propriétés est obtenu par refroidissement jusqu'à la gamme de transformation plus rapidement que par le refroidissement à l'air, il est suffisant que la limite inférieure du refroidissement accéléré soit plus rapide que le refroidissement à l'air jusqu'à la fin de la transformation, et la limite supérieure est de 100 C/s ce qu'il est possible d'obtenir avec un appareillage approprié. Si l'acier est soumis à un laminage contrôlé ou bien s'il est soumis à un processus de travail mécanique à chaud après le refroidissement accéléré, on peut obtenir un acier avec d'excel- lentes propriétés. EXEMPLE Des aciers ayant les compositions chimiques indiquées dans le Tableau 1 ont été laminés à chaud dans les conditions indiquées 9 2582017 dans le Tableau 2 et ils ont été soumis au processus de travail mécanique à chaud dans les conditions indiquées dans le Tableau 3; on a étudié les propriétés mécaniques et les résultats sont indiqués dans le Tableau 3. Les aciers 1 et 6 ont été recuits et n'ont pas été soumis au laminage contrôlé. Les aciers 2, 3, 5 et 8 ont été soumis à un refroidissement accéléré après le laminage contrôlé. Les aciers 4 et 7 ont été laissés dans la condition de laminage contrôlé. Comme on le voit d'après le Tableau 3, chacun des aciers, qui a été soumis au processus de travail mécanique à chaud dans les conditions conformes à la présente invention après le laminage contrôlé, possède d'excellentes caractéristiques et il est notam- ment supérieur aux aciers recuits 1 et 6. Les aciers comparatifs 11 et 12 ont été soumis à un refroidissement accéléré après le laminage contrôlé mais, du fait que les températures du processus de travail mécanique à chaud étaient en dehors de la gamme spé- cifiée par l'invention, la ténacité a été fortement détériorée. !0 Le Tableau 3 montre l'influence de la valeur de la contrainte engendrée au cours du processus de travail mécanique à chaud sur les propriétés des matériaux ainsi que l'influence de la libéra- tion des contraintes (SR) pour supprimer les contraintes rési- duelles après le processus de travail mécanique à chaud. Ces résultats montrent que la contrainte résiduelle peut atteindre % (ce qui constitue la valeur normale) et que le traitement de libération des contraintes n'a pas une forte influence sur les caractéristiques de l'acier après le processus de travail mécani- o que à chaud. o td uL 6 _ -- j - - - -_ - I i_|_ __0 00 f. E S O9 060l T j, I I 9 1 (J(o--- - -- --- -- -0-09--0--0 -91 -0 -0 O9O'O iO -: 10 I-__ _...... _....I-,-__.I_-_._ __ _......__. _... __.. __2_ 1 s IV{- I]- ' - - ---' :1 G 7. Wor, ?O 9 ?,8'.0910'Z0ODO8000991 S'6 fO0lO los*IlA qN ow!N_ _ _ _. _ Si| DVs (%) anbuiTTqO uO-rTsoduoD nuelqe,, Tableau 2: Conditions de fabrication Réduction accélérée (%) a Conditions du refroidissement Aciers temperature non supérieure accéléré 0 I ' 0 _ 2 4 0 7 3 0->5 0 E o C) E/sce 3 6 0 7 5 0->,1 0 0 oE 1 0 E/see 4 50 4 5 |Refroidissement par air fi6 0 700 C-eTemp. ambiante 40 C/sec 6'0 7 4 0 Refroidissement par air 8 6 0j 7 8 0-5 0 0E 1 5 E/sec *.... recuit à 910 C ul N c0 r4 12 22582017 Tableau 3 Propriétés mécaniques des échantillons d'acier.. A (0C) -_____ *'F(G(3GL)*G --v *' M I. A E E_ r.T EI--( 0 li t *Zj 5.24 9, 547 _ 2 '.8 J !.2...a.....i3'l - O I 51, Z toi,.J.LL. I JS39I - f 1,2 S 1,81 1 5 2 5,5 ___ oj' -.I,, ___o 3.L t....: - 33s -L': 507J.....[47,58,02 7 ____ 17F 800 I 50 [,1 sz.,1 313, s-- ______ 'r58,4j - *....5-, ___ ____ 1___ ___a3 5,34,L 38,3 I9 57 51 9 ' 45 I i37, - :Ii t.G 50 t a ? ___Zr__ 51,3 4 2 __ _ _ _ _ __ l__ j______ 29,2 2À18I -, - 3,8,751,41 I,! -9 2 750 500 II t-8 19..40 0.. -1 5q,-3I 5-,2 4. - i ZI=-ssoI-2 1 -- ____ >__ 1,5 850,4 ___ I f t. CoGs 2 OI- 5,2 1_.II 355 -41 - 181 I- j o2,0 ____I -54 cc i'" ', -,,. ____0_00 11G00tah643,7 3 I 3 171 U 8 554,8l135',2- LJ.Z.--.-- -.-o - 4a81[j3 I ____ O 812811125010- 5G785 5, $ J _ _ _ _ _ 0 I- ' 75L0O 15o500 --]-1,2.-r-- - - f '404, __J1 --104 G 5 0 0, 5 39 3 j-0 4:l....a ' F-.-'-'" Laut G U oux: I7,o A4 4 a_ _ UU ilI... -T-,_ - oU = 1 - - 5oZ 05=,8 1 _ I :î j À' ' À I' loocx:.'I 334 i5,7 s *. 319=,. I -x À IZu i-- s82s o,,,7 - - --2 s.s_. 13 2582017 Vitesse de réchauffage 200 C/h maintenue pendant une heure ** Obtenu dans la direction 1/4 t.c A: Conditions du travail mécanique à chaud B: Température de réchauffage C: Température du travail mécanique à chaud D: Contrainte dans le travail mécanique à chaud E: Traitement de libération des contraintes F: Propriétés de résistance à la traction G: Propriétés de résilience. LE: limite élastique, R.T.: résistance à la traction, All: allongement. Revendications 1. Procédé pour produire un acier de haute résistance, ayant des propriétés excellentes après travail mécanique à chaud, caractérisé en ce qu'il consiste à produire un acier contenant C: 0,03 à 0,20%, Si: pas plus de 0,6%, Mn: 0,5 à 2,0%, Al.sol.: 0,005 à 0,08% et le reste étant du Fe et les impuretés inévitables, à soumettre l'acier à un laminage à chaud avec un taux total de réduction d'au moins 30% à des températures non supérieures à 900 C, à réchauffer ledit acier jusqu'à des tem- pératures comprises entre 400 C et 750 C et à effectuer un tra- vail mécanique à chaud à des températures comprises entre 250 C et 700 C instantanément ou après refroidissement à l'air. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier contient en outre l'un quelconque des éléments suivants: Nb: 0,005 à 0,1%, V: 0,005 à 0,15%, Ti 0,005 à 0,15%, Cu: pas plus de 1,0%, Cr: pas plus de 1,0%, Ni: pas plus de 3,5%, Mo: pas plus de 1,0% et B: 0,0005 à 0,003%. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à effectuer un refroidissement accéléré à une vitesse supérieure au refroi- dissement à l'air et pouvant atteindre 100 C/s jusqu'aux tempéra- tures oh la transformation est terminée. 4. Procédé pour produire un acier de haute résistance, ayant des propriétés excellentes après travail mécanique à chaud, caractérisé en ce qu'il consiste à produire un acier ayant les teneurs suivantes: C: 0,03 à 0,20%, Si: pas plus de 0,6%, Mn: 0,5 à 2,0%, Al.sol.: 0,005 à 0,08%, l'un quelconque des éléments suivants: Nb: 0,005 à 0,1%, V: 0,005 à 0,15%, Ti: 0,005 à 0,15%, Cu: pas plus de 1,0%, Cr: pas plus de 1,0%, Ni: pas plus de 3,5%, Mo: pas plus de 1,0% et B: 0,0005 à 0,003% le reste étant du Fe et les impuretés inévi- tables, à soumettre l'acier à un laminage à chaud avec un taux total de réduction d'au moins 30% à des températures non supé- rieures à 900 C, à effectuer un refroidissement accéléré à une vitesse supérieure au refroidissement à l'air et pouvant attein- dre 100 C/s jusqu'aux températures o la transformation est terminée, à chauffer ledit acier jusqu'à des températures com- prises entre 400 C et 750 C et à effectuer un travail mécanique à chaud à des températures comprises entre 250 C et 700 C instan- tanément ou après refroidissement à l'air.