Brevet FR2847274A1 — publié le 20040521

B Ä -xK+0,5, (1) J = Mini N; 0,5( N-0,52 AI+ F(N-0,52Al)2+ 283)j, PIECE D'ACIER DE CONSTRUCTION SOUDABLE ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne des pièces d'acier de construction soudables et leur procédé de fabrication. Les aciers de construction doivent présenter un certain niveau de caractéristiques mécaniques pour être adaptés à l'usage que l'on souhaite en faire, et ils doivent en particulier présenter une dureté élevée. Pour cela, on utilise des aciers susceptibles d'être trempés, c'est à dire pour lesquels on peut obtenir une structure martensitique ou bainitique lorsqu'on les refroidit de façon suffisamment rapide et efficace. On définit ainsi une vitesse critique bainitique, au-delà de laquelle on obtient une structure bainitique, martensitique ou martensito-bainitique, en fonction de la vitesse de refroidissement atteinte. L'aptitude à la trempe de ces aciers dépend de leur teneur en éléments trempants. En règle générale, plus ces éléments sont présents en grande quantité, plus la vitesse critique bainitique est faible. En dehors de leurs caractéristiques mécaniques, les aciers de construction doivent également présenter une bonne soudabilité. Or, lorsqu'on soude une pièce d'acier, la zone de soudage, encore appelée Zone Affectée Thermiquement ou ZAT, est soumise à une très haute température pendant un temps bref, puis à un refroidissement brutal qui vont conférer à cette zone une dureté élevée qui peut conduire à des fissurations et restreindre ainsi la soudabilité de l'acier. D'une façon classique, la soudabilité d'un acier peut être estimée à l'aide du calcul de son "carbone équivalent" donné par la formule suivante: Céq = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15) En première approximation, plus son carbone équivalent est faible plus l'acier est soudable. On comprend donc que l'amélioration de la trempabilité, qui passe par une plus grande teneur en éléments trempants, se fait au détriment de la soudabilité. Pour améliorer la trempabilité de ces aciers sans dégrader leur soudabilité, on a alors développé des nuances micro-alliées au bore, en profitant de ce que, notamment, l'efficacité trempante de cet élément diminue lorsque la température d'austénitisation augmente. Ainsi, la ZAT est moins trempante qu'elle ne le serait dans une nuance de même trempabilité sans bore, et l'on peut ainsi diminuer trempabilité et dureté de cette ZAT. Toutefois, comme l'effet trempant du bore dans la partie non soudée de l'acier tend à saturer pour des teneurs efficaces de 30 à 50 ppm, une amélioration supplémentaire de la trempabilité de l'acier ne peut alors se faire qu'en ajoutant des éléments trempants dont l'efficacité ne dépend pas de la température d'austénitisation, ce qui pénalise automatiquement la soudabilité de ces aciers. De même, l'amélioration de la soudabilité passe par la diminution des teneurs en éléments trempants, qui réduit automatiquement la trempabilité. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un acier de construction ayant une trempabilité améliorée sans diminution de sa soudabilité. A cet effet, l'invention a pour premier objet une pièce d'acier de construction soudable dont la composition chimique comprend, en poids: 0,40% 0,50% 0,0005% N AI Si + AI 20% d'austénite résiduelle. Dans un mode de réalisation préféré, la composition chimique de l'acier de la pièce selon l'invention satisfait en outre la relation: 1,1%Mn + 0, 7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) 2 1, de préférence 2 2 (2) Dans un autre mode de réalisation préféré, la composition chimique de l'acier de la pièce selon l'invention satisfait en outre la relation: %Cr + 3(%Mo + %W/2) 2 1,8, de préférence 2 2,0. L'invention a également pour deuxième objet un procédé de fabrication d'une pièce en acier soudable selon l'invention, caractérisé en ce que: on austénitise la pièce par chauffage à une température comprise entre Ac3 et 1 0000C, de préférence comprise entre Ac3 et 9500C, puis on la refroidit jusqu'à une température inférieure ou égale à 2000C de telle sorte que, au coeur de la pièce, la vitesse de refroidissement entre 8000C et 5000C soit supérieure ou égale à la vitesse critique bainitique, éventuellement, on effectue un revenu à une température inférieure ou égale à Ac1 Entre 5000C environ et l'ambiante et notamment entre 5000C et une température inférieure ou égale à 2000C, la vitesse de refroidissement peut être éventuellement ralentie, notamment pour favoriser un phénomène d'auto-revenu et la rétention de 3% à 20% d'austénite résiduelle. Préférentiellement, la vitesse de refroidissement entre 5000C et une i0 température inférieure ou égale à 2000C sera alors comprise entre 0,070C/s et 50C/s; plus préférentiellement entre 0,150C/s et 2,50C/s. Dans un mode de réalisation préféré, on effectue un revenu à une température inférieure à 3000C pendant un temps inférieur à 10 heures, à l'issue du refroidissement jusqu'à une température inférieure ou égale à 2000C. Dans un autre mode de réalisation préféré, le procédé selon l'invention ne comprend pas de revenu à l'issue du refroidissement de la pièce jusqu'à une température inférieure ou égale à 2000C. Dans un autre mode de réalisation préféré, la pièce soumise au procédé selon l'invention est une tôle d'épaisseur comprise entre 3 et mm. L'invention a pour troisième objet un procédé de fabrication d'une tôle en acier soudable selon l'invention, dont l'épaisseur est comprise entre 3 mm et 150 mm, et qui est caractérisé en ce qu'on réalise une trempe de ladite tôle, la vitesse de refroidissement VR au coeur de la tôle entre 8000C et 5000C, exprimée en OC/heure, et la composition de l'acier étant telles que: 1,1 %Mn + 0,7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log VR 2 5,5, et de préférence 2 6, log étant le logarithme décimal. La présente invention est basée sur le constat nouveau que l'ajout de silicium dans les teneurs indiquées ci-dessus permet d'accroître l'effet trempant du bore de 30 à 50%. Cette synergie intervient sans augmentation - - ---, e, - , i de la quantité de bore ajoutée, alors que le silicium ne présente pas d'effet trempant notable en l'absence de bore. D'autre part, l'ajout de silicium n'affecte pas la propriété du bore de voir sa trempabilité se réduire puis s'annuler avec des températures d'austénitisation croissantes, comme c'est le cas dans la ZAT. On voit donc que l'utilisation de silicium en présence de bore permet d'augmenter encore la trempabilité de la pièce sans altérer sa soudabilité. Par ailleurs, on a également découvert que, grâce à l'amélioration de la trempabilité de ces nuances d'aciers, et en garantissant une teneur i0 minimale en éléments carburigènes que sont, notamment, le chrome, le molybdène et le tungstène, on pouvait fabriquer ces aciers en n'effectuant qu'un revenu à faible température, voire même en le supprimant. En effet, l'amélioration de la trempabilité permet de refroidir les pièces plus lentement, tout en garantissant une structure essentiellement bainitique, martensitique ou martensito-bainitique. Ce refroidissement plus lent combiné à une teneur suffisante en éléments carburigènes permet alors la précipitation de fins carbures de chrome,-de molybdène et/ou de tungstène par un phénomène dit d'auto-revenu. Ce phénomène d'auto-revenu est, de plus, grandement favorisé par le ralentissement de la vitesse de refroidissement en dessous de 500'C. De même ce ralentissement favorise aussi la rétention d'austénite, préférentiellement dans une proportion comprise entre 3% et 20%. On simplifie donc le procédé de fabrication, tout en améliorant les caractéristiques mécaniques de l'acier, qui ne subit plus d'adoucissement important d à un revenu à haute température, comme on le pratique habituellement. Il reste cependant possible d'effectuer un tel revenu aux températures usuelles, c'est à dire inférieures ou égales à Ac1. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative. L'acier de la pièce selon l'invention contient, en poids: plus de 0,40% de carbone, pour permettre d'obtenir d'excellentes caractéristiques mécaniques, mais moins de 0,50% pour obtenir une bonne soudabilité, une bonne découpabilité, une bonne aptitude au pliage et une ténacité satisfaisante; - plus de 0,50%, de préférence plus de 0,75%, et de façon particulièrement préférée plus de 0,85% en poids, de silicium afin d'obtenir la synergie avec le bore, mais moins de 1,50% en poids pour ne pas fragiliser l'acier; - plus de 0,0005%, de préférence plus de 0,001% de bore pour ajuster la trempabilité, mais moins de 0,010% en poids pour éviter une trop grande teneur en nitrures de bore néfastes pour les caractéristiques mécaniques de l'acier; - moins de 0,025%, et de préférence moins de 0,015% d'azote, la teneur obtenue étant fonction du procédé d'élaboration de l'acier, io - de 0% à 3% et, de préférence de 0, 3% à 1,8% de manganèse, de 0% à 5% et, de préférence de 0% à 2% de nickel, de 0% à 4% de chrome, de 0 à 1 % de cuivre, la somme de la teneur en molybdène et de la moitié de la teneur en tungstène étant inférieure à 1, 50% de façon à obtenir une structure principalement bainitique, martensitique ou martensito-bainitique, le chrome, le molybdène et le tungstène ayant, de plus, l'avantage de permettre la formation de carbures favorables à la résistance mécanique et à l'usure comme indiqué précédemment; en outre, la somme %Cr + 3(%Mo + %W/2) est de préférence supérieure à 1,8 %, et de façon particulièrement préférée supérieure à 2, 0%, afin de pouvoir éventuellement limiter le revenu à 3000C, voire de le supprimer; - moins de 0,9% d'aluminium, qui au-delà serait néfaste pour la coulabilité (bouchage des conduits de coulée par des inclusions). La teneur cumulée en aluminium et en silicium doit en outre être inférieure à 2,0% afin de limiter les risques de déchirure lors du laminage. - éventuellement au moins un élément pris parmi V, Nb, Ta, S et Ca, en des teneurs inférieures à 0,3%, et/ou parmi Ti et Zr en des teneurs inférieures ou égales à 0,5%. L'ajout de V, Nb, Ta, Ti, Zr permet d'obtenir un durcissement par précipitation sans détériorer excessivement la soudabilité. Le titane, le zirconium et l'aluminium peuvent être utilisés pour fixer l'azote présent dans l'acier ce qui protège le bore, le titane pouvant être remplacé en tout ou partie par un poids double de Zr. Le soufre et le calcium permettent d'améliorer l'usinabilité de la nuance; - les teneurs en aluminium, en bore, en titane et en azote, exprimées en millièmes de %, de ladite composition satisfaisant en outre la relation suivante B 2 -xK+0,5, (1) avec K= Min (I*; J*) l* Max (O;) et J* = Max (0; J) = Min(N; N-0,29(Ti-5)) J= Min N;0,5(N-0,52 AI +(N-0,52Al) 2 283j, - le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Pour fabriquer une pièce soudable, on élabore un acier conforme à l'invention, on le coule sous forme d'un demi produit qui est alors mis en forme par déformation plastique à chaud, par exemple par laminage ou par forgeage. La pièce ainsi obtenue est alors austénitisée par chauffage à une température au dessus de Ac3 mais inférieure à 1 0000C, et de préférence 1 5 inférieure à 950'C, puis refroidie jusqu'à la température ambiante de telle sorte que, au coeur de la pièce, la vitesse de refroidissement entre 8000C et 5000C soit supérieure à la vitesse critique bainitique. On limite la température d'austénitisation à 1 0000C, car au-delà l'effet trempant du bore devient trop faible. Toutefois, il est également possible d'obtenir la pièce par refroidissement direct dans la chaude de mise en forme (sans réausténitisation) et dans ce cas, même si le chauffage avant mise en forme dépasse 10000C tout en restant inférieur à 13000C, le bore conservant alors son effet. Pour refroidir la pièce jusqu'à la température ambiante, depuis la température d'austénitisation, on peut tremper utiliser tous les procédés de trempes connus (air, huile, eau) dès lors que la vitesse de refroidissement reste supérieure à la vitesse critique bainitique. On soumet ensuite éventuellement la pièce à un revenu classique à une température inférieure ou égale à Ac1, mais on préfère limiter la température à 3000C, voire même supprimer cette étape. En effet, l'absence de revenu peut être, éventuellement, compensée par un phénomène d'autorevenu. Celui-ci est notamment favorisé en autorisant une vitesse de refroidissement à basse température (c'est à dire en dessous de 5000C environ) préférentiellement comprise entre 0,070C/s et 50C/s; plus préférentiellement entre 0,1 50C/s et 2,50C/s. A cet effet, on pourra employer tous les moyens de trempe connus, à condition de les contrôler si nécessaire. Ainsi, on pourra par exemple utiliser une trempe à l'eau si on ralentit la vitesse de refroidissement lorsque la température de la pièce descend en dessous de 5000C, ce qui pourra notamment se faire en sortant la pièce de l'eau pour finir la trempe à l'air. On obtient ainsi une pièce, et notamment une tôle, soudable constituée d'acier ayant une structure bainitique, martensitique ou martensito-bainitique à coeur, comprenant de 3 à 20% d'austénite résiduelle. La présence d'austénite résiduelle offre un intérêt particulier en regard du comportement de l'acier au soudage. En effet, en vue de limiter le risque de fissuration au soudage, et complémentairement à la réduction susmentionnée de la trempabilité de la ZAT, la présence d'austénite résiduelle dans le métal de base, au voisinage de la ZAT, permet de fixer une partie de l'hydrogène dissous, éventuellement introduit par l'opération de soudage, hydrogène qui, s'il n'était pas ainsi fixé, viendrait accroître le risque de fissuration. A titre d'exemple, on a fabriqué des lingotins avec les aciers 1 et 2 conformes à l'invention, et avec les aciers A et B selon l'art antérieur, dont les compositions sont, en millièmes de % en poids, et à l'exception du fer: C Si B Mn Ni Cr Mo W V Nb Ti AI N 1 415 870 2 1150 510 1110 450 - - - - 55 6 A 420 315 3 1150 520 1130 460 - - - - 52 5 2 450 830 3 715 1410 1450 410 230 65 38 32 25 6 B 460 280 3 720 1430 1470 425 240 63 42 31 27 6 Après forgeage des lingotins, la trempabilité des quatre aciers a été évaluée par dilatométrie. On s'est ici intéressé à titre d'exemple à la trempabilité martensitique et donc à la vitesse critique martensitique VI après une austénitisation à 9000C pendant 15 minutes. On déduit de cette vitesse VI les épaisseurs maximales des tôles que l'on peut obtenir en conservant une structure essentiellement martensitique à coeur et comprenant également au moins 3% d'austénite résiduelle. Ces épaisseurs ont été déterminées dans le cas d'une trempe à l'air (A), à l'huile (H) et à l'eau (E). Enfin, on a estimé la soudabilité des deux aciers en calculant leur pourcentage de carbone équivalent selon la formule: Céq = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)I5 + %Ni/1 5) Les caractéristiques des lingotins Ll et L2 conformes à l'invention, et des lingotins LA et LB, donnés à titre de comparaison, sont: Lingotin VI Epaisseur max. (mm) Céq (0C/h) A H E (%) L1 8 800 7 60 100 0,95 LA 15 000 4 40 75 0,91 L2 5 000 13 80 120 1,07 LB 8 200 8 55 85 1,09 On constate que les vitesses critiques martensitiques des pièces selon l'invention sont nettement inférieures aux vitesses correspondantes des lingotins en acier de l'art antérieur, ce qui signifie que leur trempabilité a été -1.- - - -'L- -:. 1. - j k -: -. 1-.. -. '-- -- - 1 1 sensiblement améliorée, alors que dans le même temps leur soudabilité est inchangée. L'amélioration de la trempabilité permet ainsi de fabriquer des pièces à structure trempée à coeur dans des conditions de refroidissement moins drastiques que celles de l'art antérieur et/ou dans des épaisseurs maximum plus fortes. REVENDICATIONS 1. Pièce d'acier de construction soudable, caractérisée en ce que sa composition chimique comprend, en poids: 0,40% 0,50% 0,0005% N AI Si + AI comprend en outre de 3 à 20% d'austénite résiduelle. 2. Pièce d'acier selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa composition chimique satisfait en outre la relation suivante: 1,1 %Mn + 0, 7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) 2 1 (2) 3. Pièce d'acier selon la revendication 2, caractérisée en outre en ce que sa composition chimique satisfait la relation suivante: 1,1 %Mn + 0,7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) 2 2 (2) 4. Pièce d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que sa composition chimique satisfait en outre la relation suivante: %Cr + 3(%Mo + %W/2) 2 1,8. 5. Pièce d'acier selon la revendication 4, caractérisée en ce que sa composition chimique satisfait en outre la relation suivante %Cr + 3(%Mo + %W/2) 2 2,0. 6. Procédé de fabrication d'une pièce en acier soudable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, - on austénitise la pièce par chauffage à une température comprise entre Ac3 et 1 0000C, puis on la refroidit jusqu'à une température inférieure ou égale à 2000C, de telle sorte que, au coeur de la pièce, la vitesse de refroidissement entre 800'C et 500'C soit supérieure ou égale à la vitesse critique bainitique, - éventuellement, on effectue un revenu à une température inférieure ou égale à Ac, 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, au coeur de ladite pièce, la vitesse de refroidissement entre 5000C et une température inférieure ou égale à 2000C est comprise entre 0,070C/s et 50C/s. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on effectue un revenu à une température inférieure à 3000C pendant un temps inférieur à 10 heures, à l'issue du refroidissement jusqu'à une température inférieure ou égale à 2000C. 9. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on n'effectue pas de revenu à l'issue du refroidissement jusqu'à une température inférieure ou égale à 2000C. 10. Procédé de fabrication d'une tôle en acier soudable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dont l'épaisseur est comprise entre 3 mm et 150 mm, caractérisé en ce qu'on réalise une trempe de ladite tôle, la vitesse de refroidissement VR au coeur de la pièce entre 8000C et 5000C et la composition de l'acier étant telles que: 1,1 %Mn + 0,7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + Iog VR 2 5,5. io 11. Procédé de fabrication d'une tôle en acier soudable selon la revendication 10, dont l'épaisseur est comprise entre 3 mm et 150 mm, caractérisé en outre en ce qu'on réalise une trempe de ladite tôle, la vitesse de refroidissement VR au coeur de la pièce entre 8000C et 5000C et la composition de l'acier étant telles que: 1,1 %Mn + 0,7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log VR 2 6.