Brevet FR2836486A1 — publié le 20030829

à 7. DESCRIPTION L'invention concerne la fabrication d'un élément métallique durci, composé d'au moins deux zones de ductilité différente, et spécialement destiné aux composants d'automobile. Le procédé de fabrication consiste à chauffer une tôle ou un élément moulé préformé à une température d'austénitisation dans un dispositif de chauffage et à l'acheminer ensuite vers un procédé de durcissement, certaines parties de première nature de la tôle ou de l'élément moulé, qui présentent des propriétés de ductilité supérieures dans l'élément final, étant o refroidies pendant l'acheminement. On conna^t des techniques de production d'éléments moulés et durcis à l'aide d'outils pour les composants d'automobile dont les propriétés du matériau restent constantes sur l'ensemble de la pièce, par exemple pour les composants de châssis tels que les barres de liaison ou traverses, ou des éléments de structure comme les barres de renfort de porte, montants B. renforcements ou boucliers. Les éléments moulés sont durcis dans leur intégralité puis soumis, le cas échéant, à un processus de revenu en cas de traitement thermique. Ces éléments doivent d'une part présenter une résistance élevée afin de rester stabies en cas de choc par exemple et d'autre part pouvoir se déformer au moment d'un choc pour que 1'énergie de choc puisse être convertie en énergie de déformation. Pour différents cas d'application dans le secteur de la technique automobile, les éléments moulés doivent avoir une résistance élevée sur certaines de leurs parties et une ductilité élevée sur d'autres. Un montant B doit, par exemple, être relativement ductile à sa base, alors que sa partie supérieure doit pouvoir répondre à des exigences élevées en matière de résistance. Outre le renforcement par des tôles additionnelles ou 1'assemblage d'éléments ayant différents niveaux de résistance, les techniques qui consistent à soumettre un élément à un traitement thermique afin qu'il présente, de façon ponctuelle, une résistance ou ductilité supérieure, sont également déjà connues. Le document DE 197 43 802 C2 présente un procédé de fabrication d'éléments moulés pour les composants d'automobile avec des zones de ductilité différente, lors duquel, avant ou après le moulage par compression, la tôle initiale n'est chauffée que partiellement ou, après avoir été préalablement chauffée de façon homogène, est réchauffée de manière ciblée dans les zones o l'on souhaite atteindre une ductilité supérieure. Le chauffage ultérieur, destiné à produire des zones ductiles, présente toutefois un risque de déformation de l'élément moulé. Le document DE 197 23 655 A1 décrit un procédé de durcissement partiel d'un élément moulé, au cours duquel la tôle est chauffée de façon homogène dans un four, puis durcie dans une paire d'outils refroidis, le durcissement étant empêché dans des zones partielles de la pièce usinée par un ralentissement du refroidissement obtenu par des évidements ou des applications d'isolation thermique placés dans l'outil aux endroits correspondants ou par un chauffage inductif influençant ponctuellement l'outil. Le but de ce procédé est de permettre un o traitement ultérieur des parties non durcies de l'élément moulé, par exemple par poinçonnage. Le procédé du document DE 197 23 655 A1 présente cependant des problèmes pour un formage à chaud, puisqu'il n'est pas possible de former les zones de la pièce usinée correspondant aux évidements de l'outil et que les applications d'isolation thermique, nécessaires pour empêcher le durcissement afin d'obtenir la formation de zones ductiles plus importantes, risquent de casser et gênent par conséquent le processus de formage. Le durcissement inductif, applicable uniquement à des pièces ayant déjà atteint leur forme définitive, est une étape de travail en soi. Un durcissement inductif ultérieur est en outre coûteux et recèle des risques de déformation. o Le fascicule du brevet européen EP 0 816 520 B1 contient une description d'un élément moulé ainsi que d'un procédé permettant de varier la résistance et la dureté de manière définie sur la longueur de l'élément, ce dernier étant chauffé par induction après son formage, puis refroidi brusquement pour l'obtention de zones durcies. Le document DE 200 14 361 U1 décrit un montant B ayant également des zones de résistance différente. Ce montant B est fabriqué par formage à chaud à partir d'une tôle moulée ou d'un profil longitudinal préformé, austénitisé dans un four avant d'être formé/durci dans un outil refroidi. Pour le passage au four, il est possible d'isoler des surfaces importantes de la pièce usinée contre l'influence des températures, afin d'empêcher un so réchauffement à la température d'austénitisation dans les zones ainsi déterminées et d'y éviter la formation d'une structure martensitique au cours du durcissement dans l'outil. Une alternative consiste à austénitiser tout d'abord complètement le profil longitudinal puis, lors de l'acheminement vers l'outil de durcissement, à refroidir une zone déterminée à une température nettement inférieure à la température d'austénitisation par un refroidissement ciblé et pas trop brusque, par exemple à l'air. Dans l'outil de refroidissement, il se forme ensuite une structure non pas purement martensitique mais mixte, avec des parts nettes de ferrite/bainite ayant des propriétés ductiles. Du point de vue de leur mise en ceuvre pratique pour une production de masse, ces procédés présentent toutefois un certain nombre de problèmes qui rendent la production de masse coûteuse. L'isolation dans le four est techniquement compliquée, étant donné que chaque pièce nécessite pour chaque cycle sa propre isolation, que cette étape préparatoire prolonge le processus de formage à chaud et que, lorsqu'elle est finalement réutilisée, I'isolation se réchauffe avec le reste. Un refroidissement ciblé et pas trop brusque d'une zone limitée à une température nettement inférieure à la température d'austénitisation pendant l'acheminement est. de son côté, difficile à contrôler en raison des conditions de refroidissement qui règnent dans la production de masse, compliquant ainsi une conduite appropriée de la température de chaque produit à usiner. L'objectif de la présente invention est donc de développer un procédé de fabrication d'éléments métalliques ayant au moins deux zones de structure différente, adapté à la production de masse. o Cet objectif est attei nt par le procédé conform e à l 'i nventi o n dan s lequel les zones de première nature sont refroidies brusquement à partir d'une température de refroidissement initiale (TSar) préétablie, située au-dessus de la température de transformation y-a, le refroidissement brusque est arrêté lorsqu'une température d'arrêt de refroidissement (TSop), supérieure à la température de départ de martensite, est atteinte, et ce avant qu'une transformation en ferrite eVou en perlite ait eu lieu ou après que seule une faible transformation en ferrite eVou en perlite se soit produite, et on maintient à une température sensiblement isotherme pour la transformation de l'austénite en ferrite eVou en perlite, so pendant ce temps la température de durcissement (TH) dans les zones de seconde nature, qui présentent dans l'élément final des propriétés ductiles proportionnellement plus faibles, est au moins suffisamment élevée pour permettre une formation suffisante de martensite dans les zones de seconde nature au cours du processus de durcissement qui suit, et le processus de durcissement est ensuite réalisé. Des améliorations avantageuses font l'objet de revendications dépendantes. Selon le procédé conforme à l'invention, les zones de première nature, qui seront ultérieurement plus ductiles dans 1'élément final, sont refroidies brusquement à partir d'une température de départ de refroidissement prédéterminée, située au-dessus de la température de transformation y-o, ce brusque refroidissement étant arrêté lorsque la température d'arrét de refroidissement déterminée, située au-dessus de la température de départ de martensite, est atteinte, et ce avant que la transformation en ferrite eVou en perlite ait iieu ou après que o seule une faible transformation en ferrite eVou en perlite se soit produite. Ces zones sont ensuite maintenues à une température sensiblement isotherme pour la transformation de l'austénite en structure à teneur élevée en ferrite et/ou en perlite. Pendant ce temps, les zones de seconde nature, qui présenteront des propriétés ductiles proportionnellement plus faibles dans l'élément final, atteignent une température de durcissement (TH) au moins suffisamment élevée pour permettre une formation suffisante de martensite dans les zones de seconde nature au cours d'un processus de durcissement. L'élément est ensuite acheminé vers le processus de durcissement. La tôle ou l'élément moulé est préparé dans un dispositif de chauffage, o il est chauffé o de manière homogène à une température d'austénitisation définie pendant une durée d'austénitisation déterminée, ia température d'austénitisation pouvant correspondre à la température de départ de refroidissement. L'invention ne prévoit pas un refroidissement continu des zones de première nature à une faible vitesse de refroidissement mais, dans une première étape, leur refroidissement rapide et brusque à une température d'arrêt de refroidissement ou à une température de transformation, puis leur transformation à température sensiblement isotherme en structure ferritique eVou perlitique. Cette technique présente l'avantage de permettre le contrôle des fractions de ferrite/perlite dans la structure et donc des propriétés mécaniques par un réglage exact des paramètres température de transformation et durée d'arrêt, ce qui rend ce processus fiable. Un autre avantage est que les processus d'ajustement des propriétés ductiles dans les zones de première et seconde natures se déroulent en parallèle, avec un départ, une fin et un temps de processus identiques. Le procédé peut dont être intégré sans problèmes à un processus de formage à chaud existant. Dans une variante de réalisation, le procédé consiste à lancer un processus de refroidissement brusque à une vitesse de refroidissement élevée, supérieure à la vitesse de refroidissement critique, c.-à-d. à la vitesse de refroidissement à laquelle des fractions ferritiques/perlitiques pourraient se former dans la structure, et à le stopper à une température déterminée avec précision. Cette température est fixée de manière à ce qu'elle offre des conditions optimales, bien qu'étant le fruit d'un compromis, pour que la transformation en ferrite/perlite soit la plus rapide possible. En effet, à des températures plus basses, la tendance de i'austénite à se transformer augmente certes mais l'augmentation de l'inertie de diffusion des atomes de carbone prolonge ce processus. Au contraire, à des o températures plus élevées, le comportement des atomes de carbone du point de vue de la diffusion est nettement meilleur, alors que la tendance de l'austénite à se transformer est encore très faible. La durée du temps d'arrêt, nécessaire à une transformation de la structure, influence aussi directement le niveau de la teneur résiduelle d'austénite encore présente dans les zones de première nature. Comme ce temps d'arrêt ne peut cependant pas être prolongé à volonté en production de masse et que la température de durcissement pour les zones de seconde nature serait éventuellement dépassée vers le bas, il est nécessaire d'ajuster exactement les différents processus de refroidissement opérés sur un élément. L'optimisation des températures et des temps d'arrêt est garante de la réalisation de zones ductiles et de zones à résistance élevée dans un élément. Alors que les zones de première nature sont déjà soumises à une transformation isotherme, les zones de seconde nature sont principalement ou entièrement maintenues dans la marge d'austénite. Pour cela, il est particulièrement avantageux d'ajuster entre elles la période de transformation et la température d'austénitisation choisie pour le dispositif de chauffage, de manière à ce que la température de durcissement qui s'établit pendant le temps de transformation dans les zones de seconde nature soit inférieure à la température de chauffage. Une température de durcissement atteinte par un ajustement optimal, juste suffisant à la formation de martensite dans ces zones pendant le processus de durcissement, est particulièrement avantageuse. Une chute trop importante de la température dans les zones de seconde nature est de préférence contrecarrce par l'apport ciblé de chaleur pendant la durée de transformation des zones de première nature. Dans ce cas, il peut déjà suffire d'éviter ou de minimiser les pertes par radiation en plaçant, par exemple, un miroir réflecteur au-dessus de la zone correspondante. Pour pouvoir procéder au refroidissement rapide et au maintien isotherme de manière précise et pouvoir reconstituer ce processus au niveau technique, il est proposé de refroidir les zones de première nature de la pièce usinée avec un fluide caloporteur diffusé par une buse adaptée à la géométrie de la pièce. Comme fluide caloporteur, un flux d' air est particulièrement adapté. Le processus de durcissement peut avoir lieu dans un dispositif de durcissement quelconque, comme par exemple un bassin de trempe. Dans un processus de formage à o chaud, I'utilisation d'un outil refroidi, dans lequel a lieu une étape de formage supplémentaire, le cas échéant suivie d'un processus de revenu, est particulièrement avantageuse pour l'étape de durcissement, c.-à-d. pour le refroidissement brusque en dessous de la température de départ de martensite pour la formation de martensite dans les zones austénitiques de seconde nature. Dans ce cas, les passages entre structures ductiles et dures qui se mettent en place entre les zones de première et de seconde natures de l'élément ne sont pas abrupts mais continus. Outre la buse d'air d'injection locale dans les zones de première nature, ajustée à la géométrie de l'élément, il est préférable de prévoir des moyens de séparation tels que des zo toles pour séparer les zones de première et seconde natures de la pièce usinée. Cette mesure permet aussi de régler avec précision le passage entre les zones de première nature à ductilité plus élevée et les zones de seconde nature très résistantes. Il est ainsi possible d'établir un passage brusque avec une zone de transition étroite entre propriétés ductiles et hautement résistantes ou de créer une zone de transition large et fluide, dans laquelle les propriétés du matériau de l'élément passent progressivement de l'état ductile à l'état hautement résistant et vice versa. Le procédé se prête particu lière me nt a u tra itement d'all iag es d' acier co ntena nt d u so manganèse et du bore. Pour ce type d'acier, la vitesse de refroidissement critique, c.-à-d. Ia vitesse de refroidissement à laquelle la structure martensitique se forme, est nettement réduite. Lors du refroidissement de l'acier, I'addition de bore a pour effet de retarder la transformation en structures de type plus malléable, telles que la ferrite ou la perlite, à partir de ia zone d'austénite correspondante. Ce qui signifie qu'une vitesse de refroidissement plus faible comme celle produite par un flux d'air continu pourrait également entraner un durcissement dans le matériau. Le traitement par flux d'air mentionné dans le modèle d'utilité DE 200 14 361 U1 provoquerait par conséquent un durcissement intégral des pièces composées de ce type d'acier sans produire les zones ductiles souhaitées. il est par contre par exemple possible avec le procédé conforme à l'invention d'utiliser une tôle en alliage d'acier qui présente en pourcentage massique une teneur en carbone C située entre 0,18 % et 0,3 %, une teneur en silicium Si entre 0,1 % et 0,7 %, une teneur en manganèse Mn entre 1,0 % et 2,5 %, une teneur en phosphore P de maximum 0,025 %, une teneur en chrome Cr de 0,1 % à 0,8 %, une teneur en molybdène Mo entre 0,1 % et 0,5 %, une teneur en soufre S de maximum 0,01 %, une teneur en titane Ti entre 0,02 % et 0,05 %, une teneur en bore B entre 0, 002 % et 0,005 % et une teneur en aluminium entre 0,01 % et 0,06 %, le reste étant constitué de fer et d'impuretés dues à la fusion. Un taux de nioblum Nb compris entre 0,03 % et 0,05 % dans l'alliage d'acier est avantageux mais non obligatoire et permet d'empêcher une corrosion intercristalline et d'accro^'tre sa résistance à la chaleur. Le procédé conforme à l'invention, c.-à-d. incluant une interruption du processus de refroidissement brusque avec un maintien isotherme à une température située au-dessus de la température de départ de martensite, permet d'atteindre, surtout pour les aciers contenant du bore et du manganèse, la transformation en ferritelperlite requise pour la formation d'une structure malléable dans les zones de première nature de l'élément. En même temps, malgré la faible température de durcissement dans la zone de seconde nature induite par la durée d'arrêt, mais grâce à la teneur en bore de chaque alliage, I'élément peut également obtenir une structure durcie présentant le niveau élevé de résistance souhaité. Le procédé est décrit ci-dessous plus en détail à l'aide d'illustrations qui montrent: Figure 1: une représentation schématique des étapes de fabrication; Figure 2: un diagramme température-temps pour la représentation des points de départ et de fin de transformation ainsi que les durses de transformation; o Figure 3: un élément moulé (9) avec les buses d'air (13-1 3e) ajustées à ses contours et une tôle de séparation (12). La fig. 1 montre une suite d'étapes de fabrication pour la production d'éléments moulés présentant des zones de ductilité différente. Le dispositif de traitement comprend un dispositif de chauffage (1) dans lequel la tôle (2) ou un élément préformé est chauffé de façon homogène à une certaine température d'austénitisation TA pendant un temps d'austénitisation ta défini. Pendant l'acheminement vers un dispositif de durcissement (3), tel qu'un outil de formage, dans lequel la tôle est simultanément formée et refroidie, le processus est subdivisé en deux processus partiels P1 et P2 permettant le traitement local de différentes zones de la tôle ou de l'élément moulé afin d'obtenir différentes propriétés de déformation dans l'élément finai. Entre les dispositifs de chauffage (1) et de refroidissement (3), la première chane de processus partiel (P1) regroupe une zone de refroidissement (4) ainsi qu'un intervalle d'arrêt (5), alors que la seconde chane de processus partiel (P2) contient une zone de maintien dans la marge d'austénite (6). L'intervalle d'arrêt (5) de maintien isotherme de la première o chane de processus partiel (P1) peut, par exemple, être un lit chaud, un flux d'air chaud pouvant être appliqué si la chaleur propre de l'élément ne suffit pas au maintien isotherme. La zone destinée au maintien dans la marge d'austénite (6) de la seconde chane de processus partiel (P2) est équipée, au choix, d'un dispositif de chauffage supplémentaire (7), tel qu'une bobine d'induction. La chaleur radiante peut également être renvoyée à la surface de la tôle à I'aide d'un miroir (8). S'il s'agit, pour l'élément, d'un élément préformé tel qu'un montant B. celui-ci est déposé sur une bande transporteuse après le processus de chauffage dans le four, I'axe longitudinal étant placé perpendiculairement à la direction de transport. Parallèlement du point de vue temporel, le pied du montant est d'abord refroidi rapidement puis maintenu à une température constante dans l'intervalle d'arrêt (5), pendant que la structure du matériau de la partie supérieure du montant est maintenue dans la marge d'austénite en passant le long de la zone (6). La tôle (2) ou l'élément moulé est ensuite acheminé vers le dispositif de durcissement. Les températures atteintes dans la pièce le long des deux chanes de processus partiel sont mises en évidence à la fig. 2. En partant d'une température d'austénitisation initiale commune, la zone de première nature, qui présentera une structure plus malléable et donc plus ductile dans l'élément final, est brusquement refroidie d'une température de départ de o refroidissement (TSa) au temps t', correspondant, dans ce cas, à la température d'austénitisation, avec une vitesse de refroidissement de 100 - 200 k/s, jusqu'à une température d'arrêt de refroidissement (Tsop) ou à une température de transformation comprise entre 400 C et 800 C au temps t2, puis maintenue à peu près à cette température pour la transformation isotherme. Pendant ce temps, la zone de seconde nature, qui présentera une structure de ductilité inférieure, est maintenue dans la marge d'austénite jusqu'à ce que la transformation de structure dans la zone de première nature soit presque ou complètement achevée. Au temps t3, le processus de durcissement s'enchane, la zone de seconde nature étant brusquement refroidie à partir d'une température de durcissement (TH). pour obtenir une structure durcie. La figure 3 représente un élément moulé (9) en perspective, avec une zone ductile de première nature (10) et une zone hautement résistante de seconde nature (11). L'illustration montre les deux zones (10, 11) séparées pendant le procédé conforme à l'invention par une tôle (12) placée perpendiculairement à l'élément moulé (9) et ajustée à ses contours. De plus, o la zone de première nature (10), qui doit présenter une structure ductile, est entourée de buses (13 - 13e) placées aussi bien au-dessous qu'en dessous et qui permettent de diffuser un fluide caloporteur, par exemple de l'air, sur la zone de première nature (10) de l'élément moulé (9). Cette technique permet, à l'aide du fluide caloporteur, d'atteindre la rapidité de refroidissement souhaitée dans la zone de première nature (10) de l'élément moulé, pendant que la zone de seconde nature (11) de l'élément moulé (9) n'est pas refroidie par les buses (13 -13e) en raison de la présence d'une tôle de séparation (12). Le procédé conforme à l'invention, qui s'intègre à un formage à chaud existant sans compromettre la fiabilité de processus, permet donc de fabriquer un élément moulé formé de o deux zones de structure de ductilité différente ayant des caractéristiques mécaniques correspondantes. Le présent procédé s'adapte à des éléments de différents alliages, il s'applique également sans problème à des éléments ayant des zones de ductilité accrue plus étendues et évite les problèmes rencontrés jusqu'à présent, tels que des étapes de travail supplémentaires et des risques de déformation. Le procédé conforme à l'invention fournit donc des avantages techniques et répond à l'objectif formulé comme point de départ de l'invention, simplement et de façon à pouvoir être mis en _uvre. Liste des références: 1 dispositif de chauffage 2 tôle 3 dispositif de durcissement 4 zone de refroidissement intervalle d'arrêt 6 zone de maintien dans la marge d'austénite 7 dispositif de chauffage supplémentaire 8 miroir 9 élément moulé zone de première nature 11 zone de seconde nature 12 tale de separation 1 3 buse 1 3a buse 1 3b buse 1 3c buse o 1 3d buse 1 3e buse P1 premiere chains de processes partial P2 seconde chaine de processes partiel Revendications 1. Procédé de fabrication d'un élément métallique durci, composé d'au moins deux zones de ductilité différente, qui consiste à chauffer une tôle (2) ou un élément moulé préformé à une température d'austénitisation dans un dispositif de chauffage (1) et à l'acheminer ensuite vers un procédé de durcissement, certaines parties de première nature de la tôle (2) ou de l'élément moulé, qui présentent des propriétés de ductilité supérieures dans l'élément final, étant refroidies pendant le l'acheminement, caractérisé en ce que o les zones de première nature sont refroidies brusquement à partir d'une température de refroidissement initiale (TSa) préétablie, située au-dessus de la température de transformation y-a, en ce que le refroidissement brusque est arrêté lorsqu'une température d'arrêt de refroidissement (TSiop), supérieure à la température de départ de martensite, est atteinte, et ce avant qu'une transformation en ferrite etiou en perlite ait eu lieu ou après que seule une faible transformation en ferrite eVou en perlite se soit produite, et en ce que l'on maintient à une température sensiblement isotherme pour la transformation de l'austénite en ferrite et/ou en perlite, en ce que pendant ce temps la température de durcissement (TH) dans les zones de seconde nature, qui présentent des propriétés ductiles proportionnellement plus faibles dans l'élément final, est au moins suffisamment élevée pour permettre une formation suffisante de martensite dans les zones de seconde nature au cours du processus de durcissement qui suit, et en ce que le processus de durcissement est ensuite réalisé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de durcissement (TH) s'établissant dans les zones de seconde nature pendant le maintien isotherme des zones de première nature, est proportionnellement plus faible que la température de chauffage. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un apport supplémentaire de chaleur est appliqué dans les zones de seconde nature pour le maintien dans la marge d'austénite. 4. ProcAdA sen Pune des revendtons 3, cacrisA en ce que chaur radnte dgage par les zones de seconde natum est capte et nvoye au moyen dn r r. 5. PcAdA selon l'une des revendadons 1 4, cectrisA en ce que s zones de premi6m nature de l'AlAment sont froies par un Oulde calopodeur diNusA par une buse ^ g lm-. 6. ProcAdA selon la revendicatlon 5, carac16risA en ce que le fluide calopodeur est o de l'air. 7. ProcAdA sen [une des vendabons pcAdentes, cactAr6 en ce que, dans le cadre d'un formage chaud, le processus de dumsement est A dans un ouBl de formage froidlssement. ProcAdA sen [une des vendatons prAcAdentes, caracrisA en ce que s zones de premiAre et de seconde natures de t6 ou de CAment moulA sont sApardes pendant le processus de Usnsformabon dans la zone de pmlAm nsture. zo PcAdA sen rune des vendshons prAcAdentes, cacrlsA en ce que tle mAtallique de dAps ou l'AlAment moulA est constitud d'un alliage d'scler contenant du manganAse ou du bore. 10. ProcAdA sen Is vendston 9, caractAris. en ce que t6 mAtsUue de dAps ou l'AlAment moulA est constituA d'un slllage d'scler contenant, en pourcentage pondAral: carbone (C): de 0] 8 0,3 : manganAse (n): de 1,Q 2, 50 phosphom (P): msx. 0,025 chrome (Cr):de O,1 O,8 mybdAne (o): de 1 5 souf (S): msx. 0,01 -: bore (B): de 0,002 % à 0,005 % aluminium (Al): de 0,01 % à 0,06 %