Brevet FR2864108A1 — publié le 20050624

Tôle en acier inoxydable présentant une grande résistance mécanique et un bon allongement, et procédé de fabrication. La présente invention concerne une tôle en acier inoxydable présentant à la fois une grande résistance mécanique et un bon allongement, ainsi que son procédé de fabrication. Les tôles en acier inoxydable selon la présente invention sont plus particulièrement destinées à la fabrication de pièces de structure pour automobile. Les nouvelles législations mises en place en vue de réduire les io émissions de gaz carboniques, obligent les constructeurs à réduire le poids des véhicules automobiles pour diminuer leur consommation de carburant. A cette obligation de réduire le poids des véhicules, s'ajoute l'obligation d'augmenter la sécurité active et passive des véhicules. A cet effet, les constructeurs automobiles exigent des matériaux, possédant des caractéristiques mécaniques très élevées tout en gardant une bonne formabilité. A titre d'exemple, ces matériaux doivent présenter à la fois une limite d'élasticité Re supérieure à 650 MPa, un rapport élasticité sur résistance Re/Rm compris entre 0,7 et 0,9, et un allongement à la rupture A supérieur à 30 %. Ces exigences sont difficiles à obtenir avec les métaux classiquement utilisés dans le domaine automobile tels que les aciers au carbone, et notamment les aciers dual-phase ferrito- martensitique ou encore les aciers ferritiques à haute limite élastique dont les caractéristiques mécaniques sont jugées insuffisantes pour la fabrication de certaines pièces, comme par exemple les longerons. Par exemple, la nuance d'acier TRIP 800 conventionnellement utilisée pour fabriquer les longerons présente des valeurs de Rm de l'ordre de 800 MPa, Re de l'ordre de 350 MPa et un allongement de l'ordre de 18 %. En outre, afin de les protéger contre la corrosion, les aciers au carbone doivent être revêtus d'un revêtement généralement constitué d'une couche métallique, par exemple à base de zinc ou d'alliage de zinc, ce qui augmente encore le poids des pièces fabriquées à partir de ces aciers. Le but de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients des matériaux de l'art antérieur, en mettant à disposition un matériau 20 présentant à la fois une limite d'élasticité Re supérieure à 650 MPa, un rapport limite d'élasticité sur charge à la rupture (élasticité sur résistance) Re/Rm compris entre 0,7 et 0,9 et un allongement à la rupture A supérieur à 30 %, et qui en outre, ne nécessite pas de revêtement ultérieur avant son utilisation. A cet effet, les inventeurs ont mis en évidence qu'une tôle en acier inoxydable présentant une composition proche de celle des aciers austénitiques métastables et comprenant une très faible proportion de martensite permettait de répondre à ces exigences. L'invention a pour objet une tôle en acier inoxydable présentant une 10 grande résistance mécanique et un bon allongement, dont la composition comprend en % en poids: 0,025 La tôle en acier inoxydable peut également présenter la caractéristique suivante: 3o la taille moyenne des grains d'austénite de cette tôle en acier inoxydable est comprise entre 0,1 et 3 pm. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une tôle en acier inoxydable telle que définie précédemment, comprenant les étapes consistant à : laminer à chaud une brame en acier inoxydable comprenant, en 5 en poids: 0,0255C Pour obtenir une tôle d'acier inoxydable selon l'invention, il faut d'abord élaborer, puis couler sous forme d'une brame un acier inoxydable qui comprend les éléments suivants: du carbone à une teneur comprise entre 0,025 et 0,05 % en poids. io Le carbone favorise la formation d'austénite, et contrôle la quantité et la dureté de la martensite de déformation. En outre, sa mise en solution solide durcit l'acier et augmente sa résistance. Si la teneur en carbone est inférieure à 0,025 %, l'acier devient instable et il se forme beaucoup de martensite, avec comme conséquence un allongement à la rupture insuffisant. En revanche, si la teneur en carbone est supérieure à 0,05 %, l'acier devient stable, la formation de martensite de déformation est insuffisante et l'acier ne possède plus assez d'énergie pour recristalliser. Par conséquent, la température de recuit minimum pour déclencher la recristallisation est élevée et la taille des grains d'austénite devient trop importante pour atteindre des caractéristiques mécaniques élevées. - du silicium à une teneur comprise entre 0,3 et 1 % en poids. Le silicium est utilisé à titre de désoxydant de l'acier liquide, et il participe au durcissement en solution solide. On limite sa teneur à 1 % en poids, car il a tendance à perturber le procédé de fabrication de la tôle d'acier en posant des problèmes de ségrégation pendant la coulée en brame de l'acier. du manganèse à une teneur comprise entre 1 et 2 % en poids. Le manganèse favorise la formation d'austénite. Si la teneur en manganèse est supérieure à 2 %, l'austénite étant trop stable, la formation de martensite de déformation est insuffisante et cela ne permet pas d'atteindre les niveaux de limite d'élasticité requis. Cependant, si la teneur en manganèse est inférieure à 1 %, la désoxydation de l'acier est insuffisante. du chrome à une teneur comprise entre 15 et 18,5 %. Le chrome favorise la formation de martensite de déformation, et est un élément essentiel pour conférer à l'acier une bonne résistance à la corrosion. Si la teneur en chrome est supérieure à 18,5 %, on génère trop de martensite de déformation, ce qui oblige à augmenter la teneur des éléments favorisant la formation d'austénite comme le carbone, l'azote, le nickel et le manganèse. Si la teneur en chrome est io inférieure à 15 %, la résistance à la corrosion de l'acier est insuffisante. du nickel à une teneur comprise entre 5 et 10 %. Le nickel stabilise l'austénite et favorise la re-passivation. Si la teneur en nickel est inférieure à 5 %, la résistance à la corrosion de l'acier est insuffisante. Si la teneur en nickel est supérieure à 10 %, l'austénite se sur-stabilise, on ne forme plus suffisamment de martensite de déformation, et les caractéristiques mécaniques de l'acier sont insuffisantes. du molybdène à une teneur inférieure ou égale à 3 %. Le molybdène favorise la formation de martensite de déformation et, augmente la résistance à la corrosion, surtout s'il est combiné avec l'azote. Au-delà d'une teneur de 3%, la résistance à la corrosion de l'acier n'est pas améliorée. de l'azote à une teneur comprise entre 0,1 et 0,16 %. L'azote favorise la formation de l'austénite, retarde la précipitation des carbures, stabilise l'austénite, et améliore la formabilité. En outre, il joue un rôle dans l'ajustement de la taille des grains dans la structure. Cependant, s'il est ajouté à une teneur supérieure à 0,16 %, il risque de détériorer la ductilité à chaud de l'acier. du cuivre à une teneur inférieure ou égale à 0,5 %. Le cuivre favorise la formation d'austénite et contribue à la résistance contre la corrosion. Cependant, au-delà d'une teneur de 0,5 %, la proportion de cuivre qui n'est pas en solution solide dans l'austénite augmente et la formabilité à chaud de l'acier est dégradée. du phosphore à une teneur inférieure ou égale à 0,5 %. Le phosphore est un élément ségrégeant. Il favorise le durcissement en solution solide de l'acier, cependant sa teneur doit être limitée à 0,5 car il augmente la fragilité de l'acier et son aptitude au soudage. du soufre à une teneur inférieure ou égale à 0,015%. Le soufre est également un élément ségrégeant dont la teneur doit être limitée afin d'éviter les fissure lors du laminage à chaud. io En outre, la composition peut éventuellement comprendre: du vanadium à une teneur comprise entre 0,1 et 0,5 %. Le vanadium favorise la soudabilité de l'acier, et freine la croissance des grains d'austénite dans la zone affectée par la chaleur. Au-delà de 0,5%, le vanadium ne contribue pas à l'amélioration de la soudabilité, et en dessous de 0,1 %, la soudabilité de l'acier est insuffisante. - du niobium à une teneur comprise entre 0,1 et 0,5 %. Le niobium favorise la soudabilité de l'acier, cependant au-delà de 0,5 %, il dégrade la formabilité à chaud de la bande d'acier. avec une teneur totale en niobium, titane et vanadium comprise entre 0,1 et 0,5 % pour garantir la soudabilité de l'acier sans effet néfaste sur la ductilité à chaud. Le reste de la composition est constitué de fer et d'autres éléments que l'on s'attend habituellement à trouver en tant qu'impuretés résultant de l'élaboration de l'acier inoxydable, dans des proportions qui n'influent pas sur les propriétés recherchées. Après avoir été coulée, la brame est laminée à chaud dans un train à bandes pour former une tôle laminée à chaud qui est recuite et, éventuellement 30 décapée. La tôle laminée à chaud est ensuite laminée à froid, à température ambiante, à un taux de réduction compris entre 40 et 80 %. Lors de l'opération de laminage à froid à un taux de réduction compris entre 40 et 80 %, il se forme entre 60 et 90 % de martensite de déformation sous forme de lattes. Si le laminage à froid est réalisé à un taux de réduction inférieur à 40 %, les taux de martensite de déformation et de dislocation sont insuffisants pour conférer à l'acier inoxydable selon l'invention les caractéristiques requises. Cependant, si le laminage à froid est réalisé à un taux de réduction supérieur à 80 %, on inflige des contraintes trop importantes sur les cylindres de laminoir, et il n'est plus possible de laminer la tôle d'acier. io Enfin, la tôle laminée à froid subit un traitement thermique de manière à conférer à l'acier inoxydable une structure austénitique comprenant de 0,1 à 0,2 % en volume d'îlots martensitiques, répartis de façon homogène. Les inventeurs ont mis en évidence que si la martensite ne se présente pas sous forme d'îlots répartis de façon homogène dans la phase austénitique, mais qu'elle se présente sous forme de bande, l'allongement à la rupture et la formabilité de l'acier inoxydable se dégradent de façon très importante. En outre, au-delà de 0,2 % en volume de martensite, l'allongement à la rupture se dégrade également de façon très importante, et en dessous de 0, 1 % en volume de martensite, la limite d'élasticité devient insuffisante. De préférence, pour obtenir les meilleures caractéristiques, la taille moyenne des grains austénitiques de l'acier inoxydable selon l'invention doit être comprise entre 0,1 et 3 pm. Le traitement thermique selon l'invention consiste à faire subir à la tôle d'acier laminée à froid un recuit de recristallisation partiel comprenant une phase de chauffage à une vitesse de chauffage V1, une phase de maintien à une température T et pendant un temps de maintien M, suivi d'une phase de refroidissement à une vitesse de refroidissement V2, dans des conditions adaptées pour conférer à l'acier inoxydable la microstructure selon l'invention. Ainsi, la tôle laminée à froid est chauffée jusqu'à une température de maintien T comprise entre 730 et 860 C dans des conditions adaptées pour que la recristallisation de l'acier inoxydable soit partielle. Lorsque la tôle est chauffée jusqu'à une température de maintien T inférieure à 730 C, il se forme de la martensite en bande et l'allongement à la rupture de l'acier inoxydable diminue fortement. A une température T supérieure à 860 C, les grains d'austénite grossissent au profit de la martensite qui disparaît complètement, et la limite d'élasticité Re est insuffisante. De préférence, la tôle laminée à froid est chauffée jusqu'à la température de maintien T, à une vitesse de chauffage V1 supérieure ou égale à 20 Cls, plus préférentiellement à une vitesse V1 supérieure à 150 Cls, et io avantageusement à une vitesse V1 supérieure à 300 C/s. Lorsque la vitesse de chauffage V1 de la tôle est inférieure à 20 C/s, l'acier inoxydable ne peut recristalliser que pendant un temps de maintien M très long qui n'est pas compatible avec les exigences industrielles. D'autre part, les grains d'austénite grossissent au profit de la martensite, et la limite d'élasticité Re est insuffisante pour conférer à l'acier inoxydable de bonnes propriétés mécaniques. A partir de 20 C/s, la taille des grains d'austénite diminuent sensiblement et la limite d'élasticité Re est suffisante pour conférer à l'acier inoxydable de bonnes propriétés mécaniques. A partir de 150 C/s, on obtient des tôles d'acier inoxydable présentant de bonnes propriétés mécaniques, avec un temps de maintien M compatible avec les exigences industrielles. A partir de 300 C/s, les tôles d'acier inoxydable obtenues présentent de bonnes propriétés mécaniques, même lorsque la température de maintien T est élevée. En outre, les caractéristiques mécaniques sont encore améliorées, car les risques d'alignement de la martensite sont évités et la microstructure composée d'îlots martensitiques dont la taille de grain est inférieure à 3 pm devient plus homogène. De préférence, la tôle laminée à froid est maintenue à la température de maintien T pendant une durée inférieure à 70 s. En effet, au-delà 70 s., les grains austénitiques grossissent au profit de la martensite, et les caractéristiques mécaniques de l'acier inoxydable deviennent insuffisantes. La tôle d'acier partiellement recristallisée est ensuite refroidie à une à une vitesse de refroidissement V2 supérieure ou égale à 20 Cls, par exemple par insufflation d'air, et de préférence supérieure à 700 C/s, par exemple par insufflation d'air sous pression et pulvérisation d'eau. En effet, à partir d'une vitesse de refroidissement de 20 C/s, et surtout à partir de 700 C/s, la limite d'élasticité et la résistance à la traction augmentent L'invention va à présent être illustrée par des exemples de réalisation, donnés à titre non limitatif. i0 Une nuance d'acier dont la composition est donnée dans le tableau 1 cidessous, est coulée sous forme de brames qui sont laminées à chaud jusqu'à atteindre une épaisseur de 0,6 mm. Puis, 19 échantillons notés A, B, C... jusque S de la tôle laminée à chaud sont laminés à froid avec un taux de is réduction (noté taux de LAF dans le tableau 2) compris entre 40 et 80%. Ces échantillons laminés à froid sont ensuite soumis à un traitement thermique, dont les conditions sont rassemblées dans le tableau 2, comprenant une phase de chauffage à une vitesse de chauffage VI, une phase de maintien à une température T et pendant un temps de maintien M, suivi d'une phase de refroidissement à une vitesse de refroidissement V2. Les caractéristiques mécaniques, le taux de martensite (noté "taux mart." dans le tableau 2) exprimé en pourcentage de volume et la taille des grains austénitiques (noté "t.g.a." dans le tableau 2) exprimée en pm, des échantillons sont ensuite mesurés et également rassemblés dans le tableau 2. Dans ce tableau, la présence dans l'échantillon de martensite en bande dans l'acier est signalée par (MB). Tableau 1: composition chimique de l'acier inoxydable selon l'invention, exprimée en % en poids C Si Mn Cr Ni Mo N Cu P S V Nb Ti 0,025 0,5 1,5 17,5 6,8 0,1 0,13 0,1 0,02 0,002 - - - Le reste de la composition est constitué par du fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration. i0 Tableau 2: conditions du traitement thermique et caractéristiques mécaniques des échantillons essais taux VI T M V2 Re Rm Re A taux t.g.a. LAF ( C/s) ( C) (s) ( C/s) (MPa) (MPa) Rm (%) mart. (pm) (%) (%) A comp. 80 20 680 60 20 1198 1286 0,93 4,5 10 - MB B comp. 80 20 700 60 20 1031 1105 0,93 14,5 2 - MB C inv. 80 20 730 60 20 960 1068 0,90 34 0,2 1,6 D inv. 80 20 750 60 20 722 878 0,82 35 0,2 1,8 E inv. 80 20 780 60 20 668 885 0, 75 40,5 0,1 2,2 F inv. 80 20 800 60 20 651 881 0,74 41,5 0,1 3,0 G comp. 80 20 830 60 20 535 852 0,62 41 0 3,3 H comp. 80 20 850 60 20 507 849 0, 60 40 0 3,6 comp. 80 20 850 15 20 569 866 0,65 37 0 3,5 J comp. 80 20 850 8 20 595 898 0,66 42,5 0 3,0 K comp. 80 20 850 4 20 626 911 0, 69 43 0 2,7 L inv. 80 20 850 2 20 686 925 0,74 39,5 0,1 2,4 M comp. 80 700 850 15 20 491 864 0,57 39 0 2,8 N comp. 80 700 850 8 20 538 878 0, 61 42 0 2,5 O inv. 80 700 850 2 20 704 994 0,71 38,5 0,1 2,4 P inv. 80 700 850 0 20 730 1001 0,73 38,5 0,1 2,2 Q inv. 40 500 770 0 20 833 1006 0,82 30,5 0,2 2,5 R inv. 55 500 790 0 20 650 892 0,72 34 0,15 2 S inv. 65 500 760 0 20 685 899 0, 76 35 0,2 2 D'après les résultats regroupés dans le tableau 2, on voit que lorsque l'acier inoxydable présente une microstructure austénitique ne comprenant du tout de martensite, ou au contraire lorsqu'il présente une microstructure austénitique comprenant de la martensite en bande, la limite d'élasticité, la formabilité et l'allongement de l'acier ne répondent pas aux spécifications requises par les constructeurs automobiles. i0 REVENDICATIONS 1. Tôle en acier inoxydable présentant une grande résistance mécanique s et un bon allongement, dont la composition comprend en % en poids: 0, 0255C_50,05% 0,35 Si 2. Tôle en acier inoxydable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la taille moyenne des grains d'austénite est comprise entre 0,1 et 3 pm. 3. Procédé de fabrication d'une tôle en acier inoxydable selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant les étapes consistant à : laminer à chaud une brame en acier inoxydable comprenant, en en poids: 0,025 5 C 5 0,05 % 0,35 Si_51 % 1 5Mn 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce le traitement thermique est un recuit de recristallisation partiel comprenant une phase de chauffage à une vitesse de chauffage VI, une phase de maintien à une température T et pendant un temps de maintien M, suivi d'une phase de refroidissement à une vitesse de refroidissement V2. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température T est comprise entre 730 et 860 C. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en que la vitesse de chauffage V1 est supérieure ou égale à 20 C/s. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en que la vitesse de chauffage V1 est supérieure à 150 Cls. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la vitesse de chauffage VI est supérieure à 300 Cls. 9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le temps de maintien M de la température T est inférieure à 70 s. 10. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vitesse de 5 refroidissement V2 est supérieure ou égale à 20 C/s. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement V2 est supérieure à 700 C/s. io