Brevet FR2801061A1 — publié le 20010518

Procédé de réalisation d'une bande de tôle laminée à chaud à très haute résistance, utilisable pour la mise en forme et notamment pour l'emboutissage. L'invention concerne un procédé de réalisation d'une bande de tôle laminée à chaud à très haute résistance, utilisable pour la mise en forme et notamment pour l'emboutissage. Dans le domaine de la construction mécanique et plus précisément de l'automobile, l'équipement notamment de sécurité, de confort, et la nécessité d'économie d'énergie ont entraîné une recherche de l'allégement tout en conservant les propriétés de tenue en service des pièces embouties. La tenue en fatigue, en particulier, est un critère essentiel puisqu'elle définit la durée de la vie de ces pièces. Afin d'améliorer cette tenue en fatigue, une solution consiste en l'utilisation d'aciers à très haute résistance. Il existe effectivement une relation linéaire entre la limite d'endurance et la résistance mécanique. Il est alors possible d'utiliser des tôles avec des épaisseurs réduites, ce qui contribue à l'allégement tout en gardant inchangée la tenue en service. Il faut néanmoins que l'acier soit apte à l'emboutissage. Or, en général, les propriétés de mise en forme diminuent avec l'augmentation de la résistance mécanique. Dans la gamme des aciers laminés à chaud, dont les caractéristiques mécaniques sont obtenues par laminage contrôlé sur train à large bande, il existe notamment trois types d'aciers laminés à chaud ayant des caractéristiques mécaniques élevées avec une limite d'élasticité comprise entre 315 MPa et 700 MPa. - Les aciers HLE dits à haute limite élastique qui sont les aciers microalliés présentant une limite d'élasticité comprise entre 315 MPa et 700 MPa, mais une aptitude au formage limitée, du fait en particulier, d'un rapport Re/Rm compris entre 0,85 et 0,9. - Les aciers Dual-Phase, pour leur part, sont des aciers de structure ferritique martensitique ayant des propriétés de mise en forme remarquables, mais présentant des niveaux de résistance mécanique ne dépassant pas 600 MPa. - Les aciers dits HR qui sont des aciers au carbone et au manganèse subissant après laminage un refroidissement rapide associé à un bobinage à basse température pour leur conférer une structure ferrito bainitique. Ces aciers ont des 2 2801061 propriétés de mise en forme intermédiaires entre les aciers HLE et les aciers Dual- phase. Par exemple, I'acier HR 55 a un niveau de résistance minimal de 540 MPa, et présente une bonne aptitude à l'emboutissage, avec un rapport Re/Rm compris entre 0,75 et 0,8. De plus, cet acier est soudable et possède une excellente aptitude à subir une mise en forme du type relevé de collerette. L'obtention d'un acier du type HR60 nécessite de recourir soit, à l'ajout d'un élément de microalliage, par exemple le niobium, qui donne à cet acier des caractéristiques proches de celles d'un acier HLE soit, d'augmenter les teneurs en carbone ou en manganèse de l'acier du type HR55 conduisant à une composition pouvant entraîner des difficultés dans le io domaine du soudage par résistance. Les familles d'aciers cités ci-dessus ont donc des limites dans leurs caractéristiques mécaniques et leurs comportements. Une solution métallurgique pour améliorer le compromis résistance mécanique et allongement consiste en l'usage des aciers TRIP de structure ferrite- bainite- austénite résiduelle. Dans ce type de structure, le compromis résistance mécanique et allongement est nettement amélioré par la présence, dans la microstructure, d'austénite résiduelle. Il faut dans ce cas que la quantité d'austénite résiduelle soit supérieure à 5%. D'autre part, la présence de martensite dans une telle microstructure empêche l'amélioration de l'emboutissabilité du fait de la présence d'austénite résiduelle. Une première possibilité d'obtention des aciers TRIP est l'utilisation d'aciers de composition du type C-Mn-Si >1%. Ces compositions présentent l'inconvénient de générer la formation de fayalite du fait de la présence de silicium. Une autre possibilité est l'utilisation d'aciers de composition du type CMn-AI. Cette composition présente une insuffisance d'austénite résiduelle. L'obtention d'austenite résiduelle n'est possible que pour un intervalle de température de bobinage restreint compris entre 350 C et 400 C aussi bien pour les aciers du type TRIP C-Mn-AI que pour les aciers TRIP C-Mn-Si. Une température de bobinage inférieure à 350 C entraîne l'apparition de martensite, ce qui dégrade notamment la formabilité des aciers. Une température de bobinage trop élevée conduit à une structure purement ferito-bainitique sans austénite résiduelle donc sans amélioration de la formabilité. En effet, la présence 3 2801061 d'austénite résiduelle doit être supérieure à 5% pour obtenir un effet sur la formabilité des aciers réalisés. En dessous de cette valeur, son influence est pratiquement nulle. Industriellement, les températures de bobinage dans le domaine précisé ci- dessus sont particulièrement difficiles à obtenir. En effet, le domaine de température de bobinage entre 350 C et 400 C correspond à une zone d'instabilité des échanges thermiques entre la bande d'acier et l'eau de refroidissement, du fait de la rupture du film de vapeur d'eau faisant écran entre le métal chaud et l'eau de refroidissement. Ce phénomène entraîne une augmentation brutale du coefficient io d'échange thermique dans la zone concernée ce qui entraîne, sur la bande d'acier laminée, une hétérogénéité de microstructure préjudiciable à la régularité des propriétés mécaniques du produit fini. L'obligation d'utiliser des températures de bobinage basses associées au caractère allié des compositions TRIP entraîne des difficultés de réalisation. Il est donc recherché une augmentation de la température de bobinage afin de profiter d'une ductilité plus importante à haute température. Le but de l'invention est la mise au point d'un procédé de réalisation d'une bande d'acier de type TRIP à très haute résistance présentant de bonnes propriétés de mise en forme. L'objet de l'invention concerne un procédé de réalisation d'une bande de tôle d'acier laminé à chaud à très haute résistance utilisable pour la mise en forme et notamment l'emboutissage qui se caractérise en ce que l'acier de composition pondérale suivante: 0,12% 4 2801061 est soumis à: - un laminage à une température inférieure à 880 C, - un premier refroidissement court, effectué dans un temps inférieur à 10 secondes, - un deuxième refroidissement contrôlé avec une vitesse de refroidissement V refl comprise entre 20 C/ seconde et 150 C/seconde en fonction de l'épaisseur de la bande d'acier laminée, la température de fin de deuxième refroidissement étant au dessous du point Ar3 de la transformation de l'austénite en ferrite, la température de la fin du deuxième refroidissement étant comprise entre 700 C à 750 C, - un maintien sur un palier de température associé à un refroidissement lent, la vitesse de refroidissement étant comprise entre 3 C/seconde et 20 C/seconde jusqu'à une température de fin de palier comprise entre 700 C et 640 C, un troisième refroidissement également contrôlé dont la vitesse est comprise entre C/seconde et 150 C/seconde, refroidissement liée à l'épaisseur de la bande de tôle; la température de la fin du troisième refroidissement étant comprise entre 350 C et 550 C. Les autres caractéristiques de l'invention sont: - la composition pondérale comprend moins de 0,5% de silicium, - les refroidissements sont effectués sous air, - I'acier est laminée à chaud pour obtenir une bande de tôle laminée à chaud dont l'épaisseur est comprise entre 1,4 mm et 6 mm. L'invention concerne également une tôle d'acier laminée à chaud obtenue par le procédé comportant dans sa composition pondérale: 0,12% 2801061 Les autres caractéristiques de l'invention sont: - la tôle d'acier laminée à chaud comprend dans sa composition pondérale moins de 0,5% de silicium, - la tôle laminée à chaud a une épaisseur comprise entre 1,4 mm et 6 mm. La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre l'invention. La figure 1 présente un schéma du refroidissement de la bande de tôle laminée à chaud selon l'invention. La figure 2 présente la variation de la teneur en austénite en fonction de la io température de bobinage pour des exemples d'aciers selon l'invention en comparaison avec des aciers de référence TRIP C-Mn-Si et TRIP 0%Cr. Selon l'invention, un acier dont la composition pondérale est la suivante: 0,12% d'affiner sa structure par écrouissage. Un premier refroidissement court, par exemple à l'air, est effectué dans un temps inférieur à 10 secondes pour l'obtention de grains fins et pour éviter l'apparition de la phase de perlite en cours de refroidissement. L'acier est ensuite soumis à un deuxième refroidissement contrôlé dont la vitesse est comprise entre 20 C/seconde et 150 C/seconde, cela en fonction de l'épaisseur de la bande d'acier laminée traitée. La vitesse de refroidissement, contrôlée selon l'invention, assure une germination importante de la phase ferritique. La température de la fin du 6 2801061 deuxième refroidissement est comprise dans un intervalle de température variant de 700 C et 750 C, c'est-à-dire en dessous du point Ar3 de la formation de l'austénite en ferrite. La tôle est ensuite maintenue sur un palier de température o elle subit un refroidissement lent, par exemple à l'air, avec une vitesse de refroidissement comprise entre 3 C/seconde et 200C/seconde pour atteindre une température de fin de palier comprise entre 700 C et 640 C. Le maintien de la bande d'acier sur ce palier assure la formation d'un taux de ferrite comprise entre 40% et 70%. Il permet d'enrichir en carbone l'austénite résiduelle, non transformée en ferrite, retardant sa io formation au cours du refroidissement. La tôle d'acier laminée à chaud, après le maintien en température sur le palier est soumise à un troisième refroidissement également controlé, dont la vitesse est comprise entre 200C/seconde et 150 C/seconde, liée à l'épaisseur de la bande de tôle traitée et cela jusqu'à une température comprise entre 350 C et 525 C de façon à compléter l'enrichissement de l'austénite résiduelle au cours de la transformation qui débute à une température d'environ 640 C. Par exemple, les vitesses de refroidissement Vrefl et Vref2 sont comprises entre 20 C/s et 50 C/S pour des épaisseurs de tôle comprises entre 4,5 mm et 6 mm et comprises entre 50 C/S et 1500C/s pour des épaisseurs comprises entre 1,4 mm et 4,5 mm. La structure finale de l'acier laminé à chaud est composé de ferrite, de bainite et d'austénite résiduelle à une teneur supérieure à 5%, ce qui permet d'atteindre une résistance mécanique supérieure à 700 MPa, avec des valeurs de l'allongement réparti supérieure à 10% et un allongement à la rupture supérieur à 25%. Du point de vue des éléments contenus dans la composition, selon l'invention, le carbone stabilise l'austénite. Le manganèse permet d'abaisser les points de transformation Ar3, Bs et Ms correspondant respectivement à la température de début de la transformation ferritique, à la température de début de la transformation bainitique et la température de début de la transformation martensitique. L'aluminium et le silicium évite la diffusion de carbone et assure la stabilisation de l'austénite par leur effet sur le carbone. Le silicium et l'aluminium ont un même effet se complétant. Il est toutefois préférable de maintenir le silicium à des 7 2801061 teneurs faibles pour éviter la formation de fayalite générant des défauts de surface qui apparaissent après décapage. La présence de phosphore et de chrome, éléments alphagènes, permet de favoriser la formation de la phase ferritique au cours du maintien sur le palier de température. La proportion de ferrite formée est alors importante et l'enrichissement en carbone de l'austénite résiduelle permet la stabilisation de cette phase dans un domaine de température de bobinage important. Le titane, niobium et vanadium éléments introduits dans la composition de manière optionnelle sont des éléments de micro alliage qui peuvent être ajoutés dans la io composition de l'acier pour obtenir un durcissement par précipitation et affiner la taille de grain de la ferrite. Cela permet d'obtenir une résistance mécanique plus élevée en réduisant légèrement l'allongement réparti. La composition de l'acier selon l'invention permet d'obtenir une microstructure de type ferrite bainite austénite résiduelle, le laminage à chaud assurant d'une part, une bonne recristallisation des grains d'austénite en sortie des cages du laminoir et d'autre part, une texture equiaxe. Dans un exemple d'application, I'acier dont la composition est présenté dans le tableau 1, est soumis au traitement de température selon l'invention dans lequel - la température de laminage est de 850 C, - le premier refroidissement à l'air est de 1,5 secondes, suivi d'un deuxième refroidissement contrôlé à une vitesse de 80 C/seconde jusqu'à la température de 720 C, température en dessous du point Ar3, - la bande d'acier obtenu est ensuite maintenue en température, à l'air, sur un palier de température o elle est refroidie jusqu'à la température de 6800C, - le troisième refroidissement également contrôlé, est effectué à une vitesse de C/seconde jusqu'à une température correspondant à la température de bobinage, - le bobinage est effectuée dans l'exemple, à différentes températures, qui sont: 400 C, 450 C, 500 C, 550 C, 6000C. Tableau 1: composition (x10-3%) C AI Mn Si P Cr N 1330 1500 250 48 852 8 2801061 Aux différentes températures de bobinage, il a été mesuré, comme présenté sur les tableaux suivants, les différentes caractéristiques mécaniques obtenues. Tableau 2: Bobinage à 400 C. Rp02 Rm Ag* Re/Rm n MPa MPa (%) (4-8%) 418 799 14,6 0,52 0,22 Remarque: Ag* représente l'allongement réparti, correspondant à l'allongement de l'éprouvette de traction au moment o apparaît le début de la striction. Rm: résistance à la rupture de l'acier de l'éprouvette. Re: limite élastique de l'acier. n: coefficient de consolidation. Au niveau de la microstructure, la bainite est légèrement majoritaire par rapport à la ferrite qui se présente en grains fins. L'austénite résiduelle est présente sous forme de blocs entre les grains de ferrite, avec une moyenne de 12,8%. Tableau 3: Bobinage à 450 C. RpO2 Rm Ag Re/Rm n MPa MPa (%) (4-8%) 519 728 11,9 0,71 0,20 Remarque: La microstructure est ferrito bainitique. On peut observer des plages d'austénite sous forme d'îlots entre les lattes de bénite. La moyenne d'austénite résiduelle est de 7%. 9 2801061 Tableau 4: Bobinage à 500 C. Rp02 Rm Ag Re/Rm n MPa MPa (%) (4-8%) 458 779 14,4 0,59 0,21 Remarque: La microstructure est du type ferrite bainite o la bainite est majoritaire io sous la forme de grosses plages. L'austénite se présente essentiellement sous la forme de blocs entre les grains de ferrite. La moyenne d'austenite résiduelle est de 9,4%. Tableau 5: Bobinage à 550 C. Rp02 Rm Ag Re/Rm n MPa MPa (%) (4-8%) 569 758 9,5 0,75 0,15 Remarque: La microstructure présente très peu d'austénite résiduelle, la moyenne d'austenite résiduelle est de 0,2%. Tableau 6: Bobinage à 6000C. RpO2 Rm Ag Re/Rm n MPa MPa (%) (4-8%) 487 655 12,8 0,74 0,22 Remarque: la microstructure est du type ferrite bainite et ne présente pas d'austénite résiduelle. 2801061 De manière générale, on remarque que l'acier à microstructure ferritebainite- austénite résiduelle présentant les caractéristiques mécaniques suivantes: Rm > 700 MPa, rapport Re/Rm 10% et A%> 25% ne peut être réalisé que pour les températures de bobinage comprise entre 400 C et 500 C grâce à une quantité d'austénite résiduelle supérieure à 5%. Pour les deux températures de bobinage les plus élevées, la quantité d'austénite résiduelle est nulle ou quasi nulle et les propriétés mécaniques ne sont pas conformes avec un allongement Ag% ou avec une limite à la rupture Rm acceptable, le rapport Re/Rm étant de plus trop élevé. i0 La figure 2 présente le taux d'austenite résiduelle en fonction de la température de bobinage pour différentes compositions d'aciers TRIP de référence et selon l'invention. Elle permet de montrer que le procédé selon l'invention présente par rapport, par exemple, à l'acier A pris en référence, TRIP C-Mn-Si une quantité d'austénite supérieure pour un domaine de température de bobinage plus large et is plus élevé en température. La Figure 2 présente, pour comparaison avec l'acier A sur acier 1 de l'exemple, et deux aciers 2 et 3 selon l'invention et comportant respectivement 0 % de Cr et 2 % Cr. On peut selon le procédé obtenir le taux d'austénite souhaité dans un large domaine de température de bobinage, ce qui permet d'assurer une régularité des caractéristiques mécaniques de la tôle réalisée, régularité sans laquelle l'utilisation de la tôle pour une pièce emboutie serait impossible. La possibilité selon le procédé de bobiner à plus haute température permet une réalisation industrielle de la tôle sans renforcement des capacités de l'outil industriel. L'invention proposée permet la réalisation d'une bande d'acier laminée à chaud d'épaisseur comprise entre 1,4 mm et 6 mm qui possède à la fois une résistance mécanique élevée supérieure à 700 MPa et des propriétés de mise en forme importantes grâce à un rapport Re/Rm inférieur à 0,7, à un allongement répartie supérieur à 10% et un allongement à la rupture supérieur à 25%. Lorsque la teneur en silicium est inférieure à 0,5%, on obtient un aspect de surface de la bande de tôle, sans défaut, après décapage. Selon l'invention, le procédé permet l'obtention d'une bande de tôle d'acier laminée à chaud comportant une structure ferrite bainite austénite résiduelle à plus de 5% en réalisant dans le procédé un bobinage étendu dans un intervalle de l 2801061 température compris entre 350 C et 525 C. Il est ainsi possible de sortir du domaine d'instabilité de la température de bobinage inférieure à 4000C. Ceci est possible notamment par l'usage dans la composition de l'acier de base d'une teneur déterminée en chrome et en phosphore. La bande de tôle selon l'invention peut être introduite dans l'utilisation pour des pièces embouties, pliées ou profilées dans les secteurs de la construction mécanique et automobile. Son usage donne la possibilité de réduire les épaisseurs des pièces assurant leur allégement et ou une amélioration de leurs performances en fatigue. Les pièces pouvant être réalisées sont notamment des absorbeurs, des io pièces de renfort, de structure, des roues nécessitant une bonne tenue à la fatigue et également une bonne emboutissabilité. 12 2801061 REVENDICATIONS. 1. Procédé de réalisation d'une bande de tôle laminée à chaud à très haute résistance, utilisable pour la mise en forme et notamment pour l'emboutissage, caractérisé en ce que l'acier de composition pondérale suivante: 0,12% 350 C et 550 C. 13 2801061 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la composition pondérale comprend moins de 0,5% de silicium. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les refroidissements sont effectués sous air. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'acier est laminée à chaud pour obtenir une bande de tôle laminée à chaud dont l'épaisseur est comprise entre 1,4 mm et 6 mm. 5. Tôle d'acier laminée à chaud obtenue par le procédé suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'elle comprend dans sa composition pondérale: 0,12% vanadium 6. Tôle selon la revendication 5 caractérisée en ce qu'elle comprend dans sa composition pondérale moins de 0,5% de silicium. 7. Tôle selon la revendication 5 caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur comprise entre 1,4 mm et 6 mm.