Brevet FR2827874A1 — publié le 20030131

Procédé de fabrication de pièces d'acier à très haute résistance mécanique et excellente planéité La présente invention concerne la fabrication de pièces d'aciers de fine épaisseur à haute résistance mécanique, ayant une très bonne planéité et un faible niveau de contraintes résiduelles. Ce type de combinaison est particulièrement désirable dans l'industrie automobile, et notamment pour la réalisation de certaines pièces de soubassement, les renforts de portes, les pièces anti-intrusion ou les matériels de travaux publics, (flèches de grues, bras de levage...), applications navales ou agricoles, les profilés à froid fortement sollicités... En effet, pour ce type d'applications, les caractéristiques mécaniques élevées du matériau permettent de se prémunir d'une déformation plastique prématurée en cas de sollicitation mécanique, et/ou d'envisager un allègement des structures par rapport aux solutions antérieures. Une excellente planéité est en même temps souhaitée, en particulier lors d'opérations de mise en oeuvre des pièces par pliage, emboutissage ou soudage (à l'arc, par induction, par LASER...), cette dernière opération nécessitant un jeu minime des pièces lors de l'accostage sous peine de créer des défauts lors de l'assemblage, voire de rendre impossible ces opérations d'assemblage. Un faible niveau de contraintes résiduelles est également nécessaire lorsque les pièces sont soumises à une opération de coupage, puisque celle-ci peut provoquer une redistribution des contraintes associées à une modification néfaste ou inacceptable de la géométrie initiale. On trouve actuellement des tôles minces d'aciers à très haute résistance, livrées soit sous forme de bobines, soit sous forme de feuilles issues de bobines. La bonne planéité de ces produits est en particulier due à des opérations de planage simple ou sous traction qui présentent cependant l'inconvénient de donner naissance à des contraintes résiduelles néfastes pour les raisons évoquées ci-dessus. On sait naturellement qu'il est possible d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées sur pièces minces par un chauffage dans le domaine austénitique, suivi d'un traitement de trempe conférant au matériau une structure partiellement ou totalement martensitique. Cependant, cette opération conduit à une planéité imparfaite. De plus, un mode de fabrication associant trempe sur ligne suivie d'un bobinage, puis débobinage à froid pour fabrication de feuilles introduit des contraintes résiduelles qui peuvent être néfastes vis-à-vis des propriétés de mise en oeuvre ou de service des pièces. Le but de la présente invention est de proposer un moyen pour obtenir des tôles d'acier à très haute résistance tout en garantissant une excellente planéité et un faible niveau de contraintes résiduelles. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de pièces planes en acier trempé, de résistance à la traction supérieure à 1100 MPa et à excellente planéité selon lequel on découpe des pièces dans une bande d'épaisseur inférieure à 7mm en acier dont la composition chimique comprend (teneurs exprimées en poids) : 0, 1% Par exemple, les pièces réchauffées peuvent être transférées et trempées au sein d'un dispositif constitué de trois outils : un outil supérieur, un outil central et un outil inférieur, l'ensemble de ces outils étant déplaçable de telle sorte que l'une des interfaces entre les deux outils successifs vienne se positionner au niveau d'une pièce réchauffée préalablement pendant que la trempe est réalisée sur une autre pièce. Les pièces peuvent également être réchauffées puis transférées et trempées sous tas grâce à un dispositif constitué de deux chaînes tournant en sens contraire comprenant une pluralité d'outils mobiles rendus solidaires avec d'autres du même type, ces outils étant disposés de telle sorte que leur alignement régulier permet la trempe des pièces entre les outils en regard. De préférence, la composition chimique de l'acier des pièces comprend (teneurs exprimées en poids) : 0, 15% : : ; C : : ; 0, 5%, 0, 8% : tvtn En outre, la pièce trempée peut être soumise à un traitement de revenu inférieur à 300 C. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative, au vu des figures 1 à 3, dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un premier dispositif de trempe dans une première position. - La figure 2 est une représentation schématique du premier dispositif de trempe dans une deuxième position. - La figure 3 est une représentation schématique d'un deuxième dispositif de trempe comportant des outils de trempe chaînés entre eux. En ce qui concerne la composition de l'acier mis en oeuvre par ce procédé, la teneur en carbone doit être comprise entre 0,1 et 0,5% en poids, de préférence entre 0,15 et 0,5% en poids. Cet élément joue un grand rôle sur la trempabilité, la résistance mécanique et la résistance à l'abrasion obtenue après trempe. Au-dessous d'une teneur de 0,1% en poids, l'aptitude à la trempe devient cependant trop faible et les propriétés de résistance insuffisantes. Par contre, au-delà d'une teneur de 0,5 % en poids, le risque de formation de défauts est accru lors de la trempe, particulièrement pour les pièces les plus épaisses. Outre son rôle de désoxydant, le manganèse a également un effet important sur la trempabilité, en particulier lorsque sa teneur en poids est au moins de 0, 5%, préférentiellement de 0, 8%. Cependant, en quantité trop importante (3% en poids, ou préférentiellement, 1,8%), il conduit à des risques de ségrégation excessive. La teneur en silicium de l'acier doit être comprise entre 0,001 et 0,5 % en poids, de préférence entre 0,1 et 0,35%. Outre son rôle sur la désoxydation de l'acier liquide, cet élément contribue au durcissement de l'acier et retarde l'adoucissement de la cémentite lors d'un éventuel traitement de revenu des pièces. Il convient cependant de limiter sa teneur, en raison de difficultés apparaissant lors du soudage en bout (étincelage, ERW) ou de son rôle néfaste lors de la galvanisation au trempé sur pièces finies. En quantités excessives, le soufre et le phosphore conduisent à différents phénomènes de fragilité. C'est pourquoi il est préférable de limiter leur teneur respective à 0,05 et 0,1 % en poids, ou préférentiellement à 0,03 et 0,05 %. L'aluminium est un élément favorisant la désoxydation et la précipitation de l'azote. En quantité excessive (supérieure à 0,1 % en poids), il contribue à la formation d'aluminates grossiers, ce qui incite à en limiter la teneur. Le bore, dont la teneur doit être comprise entre 0,0005 et 0,008 % en poids, de préférence entre 0,0005 et 0,005% en poids, est un élément qui joue un rôle très important sur la trempabilité, en particulier dans les aciers dont la teneur en carbone n'est pas très élevée. Son plein effet est obtenu lorsque celui-ci se trouve sous forme libre, c'est à dire non combiné à l'azote ou à l'oxygène. Au-dessous d'une teneur de 0,0005%, ce plein effet sur la trempabilité n'est pas obtenu. Mais au-delà d'une teneur de 0,008%, cet élément a un rôle néfaste sur la ténacité. Le titane a une forte affinité pour l'azote et contribue donc à protéger le bore de façon à ce que cet élément se trouve sous forme libre. Il forme également des nitrures de titane permettant par exemple de contrôler la taille du grain austénitique dans la zone affectée par la chaleur en cas de soudage de la pièce. Le titane doit donc se trouver en excédent par rapport à l'azote présent, dans une proportion telle que : Ti/N > 3,42 (rapport stoechiométrique pour former le nitrure de titane TiN). Au-delà de 0, 1%, on risque cependant de former de gros nitrures de titane dans l'acier liquide, qui jouent un rôle néfaste sur la ténacité. Une addition de calcium (par exemple sous forme de Si-Ca) peut être réalisée pour diminuer la teneur en soufre et globulariser les inclusions, dans le but d'améliorer certaines propriétés mécaniques (ductilité, fatigue...) Un effet optimal est obtenu lorsque la teneur en Ca est inférieure à 0,005% Le zirconium peut être également utilisé pour réduire l'anisotropie, en contrôlant le volume et la morphologie des sulfures et par son effet désoxydant. Des résultats optimaux sont obtenus pour une teneur inférieure à 0,005% A partir de bandes minces d'aciers de composition ci-dessus, des pièces en acier sont découpées, puis chauffées à une température correspondant à une austénitisation totale ou partielle. Dans le premier cas, afin de garantir une bonne reproductibilité des opérations et une structure totalement martensitique, une température de réchauffage TR de Acs + 50 C peut être choisie, Acs désignant la température d'austénitisation totale de l'acier. Le temps d'austénitisation dépend de l'épaisseur du produit et peut être compris entre 1 minute et une heure. Il peut varier typiquement entre 2 et 10 minutes pour des épaisseurs comprises entre 1 et 5 mm. Le chauffage peut se faire dans un four à passage avec un entraînement par chaîne ou par pas de pèlerin, étant entendu que d'autres modes de chauffage adaptés peuvent être utilisés. Les produits peuvent être protégés de l'oxydation et/ou de la décarburation par une atmosphère adaptée. Dans le cas où l'on souhaite obtenir des microstructures biphasées après traitement thermique (exemple : acier ferrito-martensitique), on procède de préférence à un chauffage à une température TR comprise entre Ac1 et Ac3, c'est à dire dans un domaine correspondant à une austénitisation partielle. Après chauffage, le produit est transféré entre des outils plans. Le temps de transfert entre la sortie du four et le contact entre les outils doit être suffisamment court pour qu'une transformation de l'austénite n'intervienne pas durant ce laps de temps. La géométrie et la conception des outils sont adaptées à la pièce à traiter et à la drasticité de la trempe. En particulier, ces outils peuvent être refroidis, notamment par circulation de fluide pour augmenter la productivité des opérations et/ou accroître la sévérité de trempe. L'effort de serrage doit être suffisant pour assurer un contact intime entre les pièces et les outils, permettant ainsi un refroidissement efficace par conduction et une déformation minimale. Ces outils sont montés sur une presse qui doit permettre un maintien au point mort bas suffisant pour que la pièce ainsi trempée soit extraite à une température inférieure à 1000C afin de garantir une bonne planéité de celle-ci.. La productivité de ce dispositif peut être accrue, en particulier au moyen des deux modes de réalisation de l'invention qui vont être décrits : Dans un premier mode de réalisation (figure 1), le dispositif est constitué de trois outils : un outil supérieur 1, un outil central 2 et un outil inférieur 3. La figure 1 illustre une phase où une pièce 5 subit un traitement de trempe entre les outils 2 et 3. Pendant ce temps, une pièce 4 traitée précédemment entre les outils 1 et 2 est extraite, et une nouvelle pièce à tremper 6 provenant du four 7 est introduite après extraction de 4. L'ensemble des outils et des pièces 5 et 6 se déplace alors verticalement (figure 2) simultanément au traitement de la pièce 6 pour permettre la sortie de la pièce 5 au niveau de la ligne d'alimentation et de sortie, ce qui permettra l'introduction d'une nouvelle pièce et le déclenchement d'un cycle. Un second mode de réalisation de l'invention peut être préféré lorsque l'on souhaite réduire le caractère discontinu des cycles de trempe et augmenter la productivité. Dans ce cas, le dispositif (figure 3) est constitué de plusieurs outils plans solidaires pour former deux chaînes 13,14 tournant en sens contraire : les pièces 8 chauffées en four 9 sont engagées dans la ligne entre deux outils 10 et 11 en regard l'un de l'autre, puis extraites en 12 des chaînes après traitement. Le nombre d'outils plans constitutifs de ce dispositif est essentiellement fonction de la productivité du four, de la vitesse de refroidissement des pièces et de celle des outils. La dimension des outils est naturellement en relation avec la surface des pièces à traiter. Les pièces à traiter par trempe au moyen des dispositifs décrits ci-dessus peuvent être fabriquées avec une presse de découpe ou une cisaille, ce qui permet l'approvisionnement à partir de bobines. Ces dispositifs permettent la fabrication de pièces trempées d'épaisseur comprise entre 0,5 et 7 mm environ. Il est possible d'appliquer aux pièces trempées un traitement de revenu à une température inférieure à 300 C, pendant une durée comprise entre 10 minutes et une heure. Ce traitement permet par exemple d'augmenter la limite d'élasticité ou la ténacité, ainsi que le dégazage d'hydrogène. A titre d'exemple, on citera les résultats suivants qui illustrent l'invention : Une pièce d'acier rectangulaire de 200 x 500 mm2, de 1,5 mm d'épaisseur, dont le tableau ci-dessous indique la composition (% pondéral), a fait l'objet de trempe entre outils plans. C Mn Si S P Cr Al Ti B 0,23 1,15 0,24 0,003 0,015 0,19 0,04 0,039 0,003 La pièce est austenmsee pendant 5 minutes dans un four à 900 C avant d'être trempée entre outils plans. Après traitement, les caractéristiques mécaniques mesurées en travers de la bande sur une éprouvette 80 x 20 mm2 sont les suivantes : - Limite d'élasticité : Rpo, 2= 1030 MPa - Résistance mécanique : Rm= 1510 MPa - Allongement : 5 % Le produit réalisé suivant les techniques de l'invention présente une excellente planéité pour ce niveau de caractéristiques mécaniques, meilleure que 5 mm/m Un traitement de revenu appliqué pendant 20 minutes à 1800C permet d'obtenir une valeur de Rpo, 2 de 11 30 MA et une valeur de Rm de 1550 MPa. REVENDICATIONS 1-Procédé de fabrication de pièces planes en acier trempé, de résistance à la traction supérieure à 1100 MPa et à excellente planéité selon lequel : - On découpe au moins une pièce dans une bande d'épaisseur inférieure à 7mm en acier dont la composition chimique comprend (teneurs exprimées en le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, étant en outre entendu que le rapport Ti/N est supérieur à 3,42 - On soumet l'au moins une pièce à un réchauffage à une température TR supérieure à Ac1 et de préférence supérieure à Acs - On transfère l'au moins une pièce entre deux outils plans (1, 2,3, 10,11) de façon à réaliser une trempe sous tas par contact avec les outils durant la phase de refroidissement, le contact étant prolongé jusqu'à ce que la température des pièces soit inférieure ou égale à 100 C. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'au moins une pièce est réchauffée, transférée et trempée au sein d'un dispositif constitué de trois outils : un outil supérieur (1), un outil central (2) et un outil inférieur (3), l'ensemble de ces outils étant déplaçable de telle sorte que l'une des interfaces entre les deux outils successifs vienne se positionner au niveau de l'au moins une pièce réchauffée préalablement pendant que la trempe est réalisée sur une autre pièce. 3-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'au moins une pièce est réchauffée, transférée et trempée sous tas grâce à un dispositif constitué de deux chaînes (13,14) tournant en sens contraire comprenant une pluralité d'outils mobiles (10,11) rendus solidaires avec d'autres du même type, ces outils étant disposés de telle sorte que leur alignement régulier permet la trempe de l'au moins une pièce entre les outils en regard. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier de l'au moins une pièce comprend (teneurs exprimées en poids) : le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, étant en outre entendu que le rapport Ti/N est supérieur à 3.42. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'au moins une pièce trempée est soumise à un traitement de revenu inférieur à 300 C.