FR 2133952 A1 19721201 FR 7213980 A 19720420 72 13980 i 2133952 L'invention concerne un nouvel acier à ftaute résistance à la traction présentant une excellente aptitude au travail de déformation à froid, du type sans affinage thermique, et plus particulièrement un acier présentant une résistance à la traction ou une 5 limite élastique élevées simultanément avec l'aptitude à la déformation ci-dessus. Des aciers à haute résistance dont la résistance à la trac-2 o 2 tion est de 60 kg/mm , 70, kg/mm ou 80 kg/mm ont déjà, été mis au f- point et utilisés en pratique. Il est toutefois de fait que peu d' 10 aciers ont été mis au point qui tendent à améliorer l'aptitude à la déformation à froid, en particulier aucun acier ne présente une aptitude à la déformation .à froid excellente simultanément avec o une résistance à la traction élevée dans la norme de 70 kg/mm ou 80 kg/mm . Toutefois, si un acier présentant à la fois cette haute 15 résistance et cette excellente aptitude à la déformation était mis au point, les utilisations par exemple sous forme de matériaux pour poutres de grues, pour châssis de camions ou pour bacs ou de matériau de construction pour les automobiles et véhicules seraient immenses. En fait, les propriétés qui conviennent les mieux pour 20 les utilisations ci-dessus, doivent être les suivantes, savoir : 1) une résistance à la traction élevéej 2} une bonne aptitude au formage à froid; 3) une bonne planéîté; " - ^ 4) une bonne soudabilité; 25 5) une résilience élevée et 6) un prix de revient faible. Dans le but de satisfaire aux conditions ci-dessus, le '^traitement de trempe et de revenu connu a' permis en, générai d'atteindre des * • * » # 2 résistances à la traction aussi élevées que les normes 60 kg/mm , 2 2 30 70 kg/mm ou 80 kg/mm . Toutefois, un tel acier tend généralement à présenter une bien moins bonne aptitude à la déformation à froid et une plus mauvaise planéîté de la surface, en dépit de sa bonne aptitude à la soudure et de son excellente résilience. Plus spécialement, son prix de revient est plus élevé. Une telle tendance 35 s'accroît lorsque l'épaisseur devient plus faible. Ainsi, il est évident que les aciers ne conviennent pas pour les utilisations ci-dessus mentionnées, c'est-à-dire la réalisation de poutres de grues, de châssis de camions, etc. Il est en général bien connu que cette aptitude à la déformation à froid devient plus mauvaise lors-40 que ladite résistance s'accroît. Malheureusement, l'acier présen- 72 13980 2 2133952 tant une excellente aptitude à la déformation à froid aussi bien qu'une résistance élevée n'a pas encore été produit avec un prix de revient faible. Cet état de chose résulte du fait que les études des aciers ont été effectuées, principalement dans le but d'amélio-5 rer l'aptitude à la soudure et la résilience. Là présente invention a poux bût d'apporter une solution aux problèmes ci-dessus mentionnés. Les caractéristiques de 1' invention résident dans une composition du système à faible teneur en carbone, niobiu'm, titane et zirconium. A savoir la composition 10 chimique de l 'acier objet de la présente invention est' constituée sensiblement par 0,,05 à 0,15% de C avec coexistence de 0,01 à 0,10% de Nb, 0,03 à 0,15% .de Ti et 0,05 à 0,15% de Zr. Comme autre élément l'acier peut comporter 0,10 à 1,00% de Si, 0,80 à 1,80% de Mn et 0,010 à 0,100% d'aluminium soluble. Dans la présente inven-15 tion, un ou plusieurs éléments choisis dans le groupe comportant 0,10 à 0,50% de Cr,. 0,10 à 0,50% de Cu, 0,10 à 0,50% de Mo, 0,03 à 0,20% de V et 0,10 à 0,50% de Ni peuvent être de plus ajoutés. L'acier ayant la composition ci-dessus présente d'excellentes propriétés mécaniques satisfaisant aux conditions ci-dessus men-20 tionnées, c'est-à-dire aux indications 1 à 6, à l'état laminé, s.ans aucun traitement d'affinage thermique. Un objet de la présente invention est de fournir un acier à haute résistance à-la traction présentant une excellêntë aptitude à la déformation à froid, simultanément avec une résistance à 25 la traction élevée., sans affinage thermique. Un autre but de la présente invention est de fournir un acier à haute résistance présentant une bonne planéîté de la surface, une bonne aptitude à la soudure et Une haute résilience en même temps qu'une aptitude à la déformation à froid excellente et 30 une haute résistance, à l'état làminé, sans traitement* d^affinage thermique. D'autres buts et avantages apparaîtront à la'lecture de la description faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels î T - 35 Fig. 1 représente la modification des caractéristiques de résilience résultant•des teneurs en Ti ou Zr; Fig. 2 est un graphique montrant la relation entre les teneurs en Ti ou Zr et l'allongement du barreau entaillé; Fig. 3 est un graphique montrant la relation entre la résis-40 tance à la' traction et l'allongement au barreau entaillé. 72 13980 3 2133952 Généralement, l'effet de l'adjonction du niobium, du titane, ou du zirconium à l'acier est qualitativement bien connu. En conséquence, un acier comportant du niobium, du titane ou du zirconium a déjà été produit et mis en oeuvre. Par exemple un acier typique est 5 décrit dans "Stahl und Eisen" 90 (1970), fascicule 22, Pages 1255 à 1262, comme un acier du système Nb-Zr ou dans "Thyssenforschung", 2 (1970), fascicule 3 Pages 86 à 95 comme acier du système Ti-Nb. Toutefois, lorsque les descriptions ci-dessus sont examinées en détail, on comprend que les effets sont très éloignés des buts de-10 la présente invention. Au contraire, une coexistence substantielle du carbone, du niobium, du titane et dû zirconium ci-dessus mentionnés, dans l'acier, est une condition indispensable. Si l'un quelconque desdits éléments manque, l'acier ne peut présenter les propriétés mécaniques recherchées, à l'état laminé, sans aucun 15 traitement d'affinage . thermique. L'acier de la présente invention présente la composition suivante à savoir, - C î 0,05 à 0,15% Si: 0,10 à 1,00%- Mn: O,80 à 1,80% Nbï 0,01 à 0,10% Ti î 0,03 à 0,15% Zxï 0,05 à 0,15% 20 Aluminium soluble : 0,010 à 0,100% - et les impuretés inévitables, le reste étant du fer. La composition ci-dessus est fondamentale. Lorsque cela est nécessaire, on peut en outre ajouter un ou plusieurs des éléments choisis dans le groupe d'éléments ci-après à savoir, 25 Cr: 0,10 à 0,50% Gu; 0,10 à 0,50% Mo: 0,10 à 0,50fo V 0,03 à 0,20% Ni: 0,10 à 0,30% Dans un tel cas, les propriétés mécaniques sont encore plus améliorées. En conséquence, les propriétés recherchées pour un "acier 30 relativement épais, peuvent être obtenues facilement. Les raisons pour lesquelles la teneur en chacun des éléments est limitée comme indiqué ci-dessus sont les suivantes: Moins de 0,05% de carbone ne confère pas à l'acier la résistance requise et plus de 0,15% de carbone rend l'aptitude à la 35 déformation à froid plus mauvaise. Le silicium joue un rôle de contrôle de ladite résistance en dehors de son effet désoxydant» De plus, lorsque la teneur en silicium est supérieure à 1,00%, la ténacité de l'acier devient plus mauvaise• 4Q Dans le cas où il contient moins de 0,80% de manganèse, on 72 13980 4 2133952 ne peut obtenir la résistance recherchée et, lorsqu'elle est supérieure à 1,80%, la structure cristalline formée devient instable et ladite ténacité devient plus mauvaise. Le niobium est ajouté pour obtenir la résistance recherchée. 5 Toutefois, dans le cas où sa teneur est inférieure à 0,01%,,il n1 est pas possible de conférer à'l'acier ladite résistance et si la teneur en niobium est supérieure à 1,80%, l'effet de cette addition est saturé et devient en conséquence sans objet. Le titane est ajouté pour améliorer ladite résistance et 10 simultanément pour jouer un rôle de réglage de la formation du sulfure dans l'acier. L'addition de moins de 0,03% de titane n'a que peu d'effet et l'addition de plus 0,15% de titane rend rapidement l'aptitude à la déformation à froid et la résilience plus mauvaise. Le zirconium est ajouté principalement pour contrôler la 15 formation du sulfure et améliorer l'aptitude à la déformation à froid et la résilience. Toutefois, dans le cas où la teneur est inférieure à0,03% de zirconium, on ne peut que difficilement escompter une amélioration de l'aptitude à la déformation à froid et, dans le cas où elle est supérieure à 0,15%, inversement, la rési-20 lience devient plus mauvaise tandis que 1'aptitude à la déformation à froid reste sensiblement inchangée. L'aluminium soluble est nécessaire pour désoxyder et obtenir un bon rendement du titane et du zirconium ajoutés. De tels effets sont impossibles à déceler dans le cas où la teneur est in-25 férieure à 0,010% d'aluminium soluble et plus de 0,10% d'aluminium soluble détériore la fluidité et la propreté du bain dans le four. Dans la présente invention, un bu plusieurs parmi les éléments chrome, cuivre, molybdène, vanadium et nickel sont de plus ajoutés, si nécessaire, à la composition fondamentale ci-dessus 30 mentionnée afin d'assurer ladite résistance. Dans un tel cas, lorsque la teneur en chacun des éléments chrome, cuivre, molybdène, nickel est inférieure à 0,10% ou celle en vanadium inférieure à 0,03%, on ne peut que difficilement assurer ladite résistance, et quand les teneurs en chrome, cuivre, molybdène et nickel sont 35 supérieures à 0,50% ou celle en vanadium supérieure à 0,20%, on n'obtient que peu de résultat contre un relèvement du prix de revient. TABLEAU I Acier C Si Mn P S Nb Ti Zr Al soluble autres Ceq** A* 0,09 0,26 1,03 0,014 0,018 0,027 0,13 - 0,052 — 0,27 B* 0,18 0,20 1,10 0,013 0,008 ■>» O m 0 0,10 o;o38 - 0,37 C* 0,10 0,21 1,25 0,016 0,010 0,009 0,18 0,08 0,025 - 0,32 D* 0,18 0,23 1,27 0,011 0,008 0,035 0,08 0,07 0,038 - 0,40 E 0,12 0,26 0,85 0,013 0,020 0,010 0,09 0,10 0,023 - 0,27 F 0,09 0,32 1,24 0,015 0,017 0,035 0,08 0,06 0,052 ** 0,31 G 0,11 0,32 ; 1,26 0,016 0,008 0,035 0,12 0,07 0,064 - 0,33 : H O 4# !-» O 0,28 1,22 0,016 0,006 0,040 0,06 0,08 0,082 - 0,31 ; I 0,13 0,27 1,15 0,021 0,017 0,023 0,08 0,07 0,066 - 0,33 J 0,09 0,52 1,35 0,012 0,006 0,043 0,08 0,11" 0,042 Mo 0,22 - 0,33 K 0,11 0,48 1,30 0,010 0,004 0,038 0,10 0,13 0,029 Cu 0. 2ft 0,40 L 0,10 0,63 1,40 0,015 0,008 0,032 0,06 0,07 0,030 Cr 0.21 0,40 M 0,08 0,50 1,68 0,018 0,005 0,046 0,08 0,12 0,042 N 0,10 0,38 1,22 0,015 0,010 0,030 0,06 0,08 0,038 Mo 0,15 V 0,08 Cu 0,20 Ni 0,23 Cu 0,25 0,42 0,33 .Note: * Les aciers A à D sont des aciers comparatifs Les aciers E à N sont des aciers conformes à la présente invention* ** Ceq = C + ,xMn + ^Si + -Àli + ^Cr + h>ï o + ^ 6 24 40 5 4 & TABLEAU II Proprié tés de traction Aptitude à la déformation par pliage à froid Résilience ^ . Température Acier paisseur b0j-,£nage mm en Résistance à la traction kg/mm^ Limite élastique kg/mm' 2 Pliage à 180° OjSt Allongement du barreau entaillé en % Temperature de transition de cassure en Absorption d'énergie à 0°C kg - m A 6,0 610 58,7 66,6 crique 2,3 + 100 0,3 B 6,0 640 52,4 61,8 ii 3,2 +40 0,8 c 6 ,0 590 •: 64,2 74,5 n 3,5 +30 1,1 D 6,0 510 75 » 7 82,9 n' 4,4 -10 2,2 E- 6,0 525 ■" 58,6 65,5 bon 10,2 -70 4,4 F 6,0 530 71,3 80, 1 H 5,7 -7 2,2 G 6,0 520 73,4 81,3 ti 6,3 -20 3,0 K 8,0 560 64,4 73,0 » 8,4 -38 4,0 I 8 ,0 590 59,4 65,4 ti 7»3 -32 3,5 J 8,0 590 68,3 75,4 n 7*2 -30 4,3 K 8,0 4 540 72,8 82,5 micro-fissure 6,8 -18 3,1 L 10,0 590 62,3 72,e n 8,7 -35 4,0 M io,o 540 72,5 81,6 a 6,9 -28 3,8 N 10,o 560 59,9 65,8 n 8,9 -65 4,5 Note ; : Eprouve t te d'essai Charpy : 5mm x 10mm x 55mm -»4 K) U> «O cx> o C\ IsJ UJ UJ >o tn N> 72 13980 7 2133952 La teneur en soufre n'est pas limitée dans la présente invention, toutefois il s'est avéré qu'une teneur en soufre inférieure à 0,01% est très efficace pour améliorer l'aptitude à la déformation à froid. Plus spécialement, lorsqu'une résistance à la trac-5 tion supérieure à 70 kg/mm est exigée, l'action sur ladite teneur en soufre est un des moyens les plus convenables. Comme mentionné ci-dessus, la coexistence substantielle de nobium, de titane et de zirconium est l'une des conditions indispensables. Il est inutile de dire que lorsque l'un quelconque des-10 dits trois éléments n'est pas ajouté, les propriétés mécaniques recherchées ne peuvent être conférées à l'acier, à l'état laminé, sans aucun traitement d'affinage thermique. Ainsi lesdites propriétés sont basées sur une action géométrique desdits trois éléments. L'effet de l'adjonction du titane ou du zirconium parmi 15 lesdits trois éléments est représenté dans les figures 1 et 2. Les deux figures représentent l'effet d'une adjonction de Ti à une teneur en Nb+Zr comprise dans la gamme de teneurs ci-dessus mentionnée. De façon similaire, les effets d'une adjonction supplémentaire de Zr à Nb+Ti sont donnés dans lesdites figures. 20 Se référant à la figure 1, on comprendra que la teneur spécifiée dans la présente invention est très efficace et est celle qui convient la mieux. A savoir lorsque la teneur en Ti est supérieure à 0,15%, à la fois la température de transition à la cassure et l'absorption d'énergie à 0°c, qui est mesurée selon la 25 direction transversale au laminage, deviennent très mauvaises. Lorsque la teneur en zirconium est inférieure à 0,05%, ladite température de transition à la cassure est très élevée et l'énergie d'absorption n'est pas améliorée, et lorsqu'elle est supérieure à 0,15%, ladite absorption d'énergie s'abaisse avec la même 30 tendance que dans le cas où elle est inférieure à 0,05%. Dans la figure 2, les modifications de l'allongement du barreau entaillé qui correspondent parfaitement à ladite aptitude à la déformation à froid sont indiquées en fonction des teneurs en titane ou zirconium. La relation entre les teneurs en niobium, 35 titane et zirconium est la même que celle de la figure 1. Lorsque la teneur en titane est supérieure à 0,15%, ledit allongement du barreau entaillé s'abaisse rapidement. Lorsqu'elle est inférieure à 0,05%, l'allongement du barreau entaillé devient très mauvais et lorsque ladite teneur est d'environ 0,05%, l'allongement au bar-40 reau entaillé est amélioré et présente peu de modification, même 72 13980 8 2133952 si ladite teneur s'accroît. La figure 3 illustre la relation entre la résistance à la traction et l'allongement du barreau entaillé. Conformément à ladite relation, représentée dans la figure 3, il est évident que 5 l'acier objet de l'invention est très supérieur à l'acier antérieur. Des exemples réels basés sur la présente invention sont donnés ci-après. De tels exemples sont donnés par comparaison avec les aciers antérieurs. Conditions d'élaboration de l'acier : 10 Composition chimique : telle que donnée dans le Tableau I Stade sidérurgique : four utilisé : four à oxygène basique de 85 t , après l'opération de désoxydation usuelle adjonction d'un type d'alliage : Fe-Nb , Fe-Ti et Fe-Zr ou Si-Zr. 15 Stade de laminage à chaud faisant suite à la coulée et à la mise en brames usuelles : laminoir utilisé : laminoir à chaud du type tandem conditions de laminage à chaud : usuelles épaisseur de finition : 6,0 mm à 10,0 mm 20 conditions de bobinage : usuelles. Les propriétés mécaniques des aciers ci-dessus sont celles données dans le Tableau II. Conformément aux Tableaux I et II ci-dessus, on comprendra parfaitement que tous les facteurs constitués par la résistance, 25 c'est-à-dire la résistance à la traction et la limite élastique, l'aptitude à la déformation à froid, c'est-à-dire l'aptitude au pliage et l'allongement du barreau entaillé, et la résilience, c'est-à-dire la température de transition de cassure et l'absorption d'énergie, sont très supérieurs à ceux des aciers comparatifs 30 antérieurs. A savoir, la résistance à la traction présente des 2 2 2 valeurs de 60 kg/mm , 70 kg/mm ou 80 kg/mm , et la résistance p ' p 2 p élastique est également facilement au delà de 45 kg/mm et présen- 2 n te des valeurs de 60 kg/mm et 75 kg/mm . Il est évident qu'une telle aptitude à la déformation à froid est excellente. L'équiva-35 lent en carbone (Ceq), donné dans le Tableau I, est faible et correspond à une bonne aptitude à la soudure. Simultanément, on comprendra que ladite résistance des aciers comportant moins de 0,01% de S est supérieure à celle des autres aciers. Naturellement le coût de fabrication est très faible parce que l'acier est utilisé 72 13980 9 2133952 à l'état laminé. Ladite résistance peut encore être améliorée lorsqu'on ajoute en plus un ou plusieurs des éléments parmi le chrome, le cuivre, le molybdène, le vanadium ou le nickel. Ainsi, on notera que la raison pour laquelle des propriétés mécaniques excellentes telles que mentionnées ci-dessus peuvent être obtenues à l'état laminé, est basée sur la coexistence substantielle du niobium, du titane et du zirconium. 72 13980 10 2133952 REVENDICATIONS 1.- Un acier à haute résistance du type sans affinage thermique présentant une aptitude à la déformation à froid excellente et une résistance à la traction supérieure à 60 kg/mm ou une limi7 p p 2 / te élastique supérieure à 45 kg/mm , à l'état laminé, caractérisé 5 en ce que l'acier comporte de 0,05 à 0,15% de carbone, 0,10 à 1,00% de Si, 0,80 à 1,80% de Mn, 0,01 à 0,10% de Nb, 0,03 à 0,15% de Ti, 0,05 à 0,15% de Zr, 0,010 à 0,100% d'aluminium soluble et les impuretés inévitables, le reste étant du fer. 2.- Un acier à haute résistance du type sans affinage ther-10 mique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il contient, de plus, un ou plusieurs éléments choisis parmi 0,10 à 0,50% de Cr, 0,10 à 0,50% de Cu, 0,10 à 0,50% de Mo, 0,03 à 0,20% de V et 0,10 à O,50% de Ni. ' • 3.- Un acier à haute résistance du type sans affinage ther-15 mique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la teneur en soufre est inférieure à 0,010%.