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Procédé pour la fabrication d'une bande en acier multiphase laminée à chaud.
Domaine technique La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'une bande en acier multiphase laminée à chaud, présentant des propriétés mécaniques améliorées, en particulier une haute résistance et une bonne ductilité Actuellement, de telles bandes présentent une épaisseur comprise entre 0,7 mm et 10 mm, et le plus souvent entre 2 mm et 6 mm Etat de la technique Les aciers à haute résistance sont connus depuis longtemps dans la technique et leurs utilisations sont extrêmement diversifiées Dans de nombreux cas, les propriétés mécaniques de ces aciers sont le résultat d'un traitement thermique approprié, qui permet souvent d'éviter le recours à des éléments d'alliage généralement coûteux Certaines applications exigent cependant des bandes d'acier laminées à chaud,
qu ! présentent à la fois une résistance élevée et de bonnes propriétés de mise en forme A l'heure actuelle, une telle combinaison de propriétés est extrêmement difficile à réaliser, elle n'est d'ailleurs'généra- lement obtenue que par'le biais d'aciers multiphase tels que des, aciers à microstructure, de ferrite/bainite ou de ferrite/martensite ou encore des aciers comportant trois phases. Dans ces aciers, la ferrite constitue l'élément ductile et déformable, tandis que la seconde phase, bainite ou martensite, permet de renforcer l'acier. Les propriétés mécaniques finales de l'acier sont
Influencées directement par les proportions respectives de ces phases, ainsi que par les températures auxquelles celles-ci se forment.
Suivant, a pFatique conventionnelle,"'tes'aciers à microstructure de 1ferriteJbainite'ou de ferrite/martensite sont obtenus au départ d'une composition chimique spécifique et au prix d'un sévère contrôle des conditions de refroidissement lors du laminage à chaud La microstructure et les propriétés de ces aciers sont influencées par la température de bobinage, ainsi que par les vitesses de refroidissement auxquelles les aciers sont soumis.
Sur une table de refroidissement laminaire classique, il n'est pas possible de contrôler la'vitesse de'refroidissement de la bande laminée à chaud, car les débits spécifiques du liquide de refroidissement sont fixés. Cette vitesse de refroidissement dépendra alors largement de la vitesse et de l'épaisseur de la bande, ainsi que de paramètres extérieurs tels que la température dû liquide de refroidissement En particulier, elle varie sur la longueur de la bande à cause de l'augmentation de vitesse de celle-ci, consécutive à l'accélération du train de laminage entre le début et la fin d'une bande. De façon connue, cette accélération est imposée par la nécessité de
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conserver une température de fin de laminage constante pour toute la bande.
Il en résulte une incertitude sur la vitesse de refroidissement de l'acier, qui se répercute sur la microstructure et donc sur les propriétés de la bande, et qui peut finalement se traduire par de coûteux chutages et déclassements de bandes.
En outre, la composition chimique de l'acier doit être adaptée en fonction des microstructures à réaliser et également en fonction du refroidissement qui pourra être appliqué. Dans ces conditions, il n'est pratiquement pas possible de faire varier la composition de l'acier de façon spécifique pour améliorer certaines propriétés mécaniques comme la résistance à la fatigue ou au vieillissement, l'aptitude à l'expansion de trou, ou encore la soudabilité ou l'état de surface.
On sait par ailleurs qu'il est possible de produire des aciers multiphase par un traitement de refroidissement dit à cycle cassé. D'une manière générale, un tel traitement comprend un premier maintien de la bande à haute température pour assurer une transformation partielle de l'austénite en ferrite, suivi d'un refroidissement brusque destiné à figer : microstructure partiellement transformée'et enfin d'un second maintien à une température plus basse pour transformer le reste de l'austénite en bainite ou en martensite. Dans les trains à bande conventionnels, les tables de refroidissement ne disposent cependant pas de sections de refroidissement suffisamment puissantes pour assurer un tel refroidissement brusque.
A cet égard, on connaît certes un procédé de refroidissement ultra-rapide, dit UFC ou Ultra Fast Cooling, appliqué à une bande laminée à chaud immédiatement après sa sortie du train finisseur. Ce refroidissement ultra-rapide est suivi par un refroidissement lent, dit refroidissement laminaire, sur le refroidisseur usuel qui conduit aux bobineuses. Ce procédé permet assurément d'obtenir des aciers à haute limite d'élasticité, par exemple des aciers à dispersoïdes. De tels aciers présentent cependant une ductilité plus faible que celle développée par les structures multiphases, de sorte qu'ils. ne sont pas utilisables pour des applications nécessitant-une ou
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plusieurs opérations de mise en forme.
, 1 Présentation de l'invention La présente invention a pour objet de proposer un procédé pour la fabrication d'une bande en acier multiphase laminée à chaud, qui présente des propriétés mécaniques, et en particulier une résistance et une ductilité, améliorées par rapport à l'état de la technique précité.
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1 Conformément à la présente invention, un procédé pour la fabrication d'une bande en acier multiphase laminée à chaud, qui comprend une opération de refroidissement ultra-rapide, est caractérisé en ce que l'on effectue ladite opération de refroidissement ultra-rapide après un refroidissement laminaire lent de la bande sur la table de refroidissement et avant le bobinage final de la bande.
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Dans les trains à bandes à chaud, la température de fin de laminage des bandes est égale ou supérieure à la température de transformation Ar3 ; cette température varie certes en fonction de la composition de l'acier, mais elle est en général comprise entre environ 800 C et 900 C.
Selon l'invention, on soumet la bande d'acier laminée à chaud, à la sortie du train finisseur, à un premier refroidissement lent depuis la température de fin de laminage jusqu'à une température, dite température intermédiaire, comprise entre environ 750 C et 500 C, et de préférence entre environ 750 C et 600oC, ensuite à un refroidissement ultra-rapide depuis ladite température intermédiaire jusqu'à une température, dite température de bobinage, comprise entre environ 600 C et la température ambiante, et enfin à un second refroidissement lent à partir de ladite température de bobinage jusqu'à la température ambiante.
Le premier refroidissement se déroule de préférence sur la table de refroidissement laminaire
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conventionnelle, c'est-à-dire à'l'eau avec'une, faible vitesse de refroidissement ; it peut cependant aussi être effectué à l'air : If constitue ainsi le premier maintien de la bande à haute température,' au cours duquel la ferrite peut se former dans des conditions proches de J'équilibre Là durée de ce premier refroidissement dépend de la vitesse de la bande et de la vitesse de refroidissement appliquée, en fonction du degré de transformation désiré et donc de la température intermédiaire visée. La vitesse de refroidissement étant de toutes manières faible, elle n'est pas influencée de façon notable par l'effet de l'accélération du train.
Le refroidissement brusque est ensuite effectué de préférence par le procédé de refroidissement ultra-rapide mentionné plus haut. On peut rappeler ici que ce refroidissement ultra-rapide consiste en un arrosage de la bande par des fiJets d'eau sous une pression de 4 à 5 bar, ce refroidissement peut être régulé en vitesse de refroidissement et en température au moyen du
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débit d'eau et de la longueur arrosée. Il permet d'atteindre des vitesses de refroidissement de 5 à 1. 0, foisplus élevées, que les tables de refroidissement-laminaire conventionnette. Pe préférence. on effectue ledit refroidissement ultra-rapide avec unèqvitesse de refroidissement 1 telle ; ue le produit de l'épaisseur de la bande, en mm, par la vitesse, de refroIdissement,'en'oC/s, SOit supérieur à 600, et de préférence encore supéneur à 800.
A titre indicatif, le refroidissement UFC précité. est avantageusement effectué avec une vitesse de refroidissement supérieure'à 150 Cts pour une bande d'une épaisseur de 4 mm, @ Enfin, le second refroidissement lent est effectué immédiatement après le refroidissement brusque, c'est-à-dire essentiellement pendant le-bobinage de la bande. Ce reftoidissement est opéré depuis la température de bobinage jusqu'à une température où il ne se produit plus de transformation de la microstructure, c'est-à-dire en pratique jusqu'à la température ambiante.
Au cours de ce refroidissement lent se produit généralement la transformation de l'austénite résiduelle pour former la seconde phase, bainite ou martensite, en fonction de la température de
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bobinage. Il peut cependant arriver dans certains cas que cette transformation se produise avant le refroidissement lent, c'est-à-dire pendant le refroidissement brusque.
Pour la mise en oeuvre pratique de l'invention, on détermine en premier lieu les proportions respectives des phases requises dans l'acier, en fonction des propriétés désirées, on en déduit la durée du premier refroidissement lent ainsi que la température intermédiaire conduisant à la fraction requise de la première phase ; on en déduit également la température de bobinage conduisant à la seconde phase requise ; finalement, on applique lesdites valeurs de durée et de température pour le réglage respectivement des étapes de premier refroidissement lent et de refroidissement ultra-rapide.
Exemples A titre d'exemples, le procédé de l'invention a été appliqué à une première série de nuances d'aciers, dont les compositions chimiques sont données dans le Tableau 1
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1, -,.,,, 1) ,, 1-1. 1'-."1"1". i TABLEAU 1-Composition chimique (sans précipitation)
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<tb>
<tb> Nuance <SEP> C <SEP> Mn <SEP> Si <SEP> Al <SEP> N <SEP> Nb <SEP> Ti
<tb> 1 <SEP> 144 <SEP> 996 <SEP> 7 <SEP> 32 <SEP> 4 <SEP> 0 <SEP> 1
<tb> 2 <SEP> 67 <SEP> 760 <SEP> 4 <SEP> 31 <SEP> 3 <SEP> 48 <SEP> 30
<tb> 3 <SEP> 80 <SEP> 1448 <SEP> 122 <SEP> 27 <SEP> 5 <SEP> 32 <SEP> 1
<tb>
Dans a pratique cohventionnette, t'acier 1 peut conduire à une microstructure biphasée (ferntebainite mais pas ferrite-martensite).
L'acier 2 n'est pas destiné à former une microstructure multiphase, à cause des teneurs élevées en niobium et en titane, qui provoquent une
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fransformation'très rapidedet'austénitë en ferrite et penité,'contrariant de ce fait) lè formation de' ba'initét/ou'rr) aftëhs ! te/'Ënf [n,' t'acier'3 pèrm'ët en principe'la formation d'une microstructure duat phase (ferrite-martensite), grâce à ses hautes teneurs en manganèse et à un cycle tnèrrnomécanique pdicieusement chois'i.'Unè te1ie transformation ne se déroule cependant que difficilement sur la table de refroidissement laminaire et entraîne une importante diminution de la productivitédutrain'àchaud."''''"''"''''''''''..'.
.' :. t, '' ;'/. H.-.'t., A ces trois aciers, on a appliqué un cycle de traitement conforme à l'invention, dont les différentes étapes sont indiquées aux Tableaux 2 et 3,'respectivement pour -des aciers à microstructure de ferritè/bainite (Tabeaù'2) et ferritélmartensite ou dual phase (Tableau 3).
Ces deux tableaux donnent également les propriétés et les fractions de la seconde phase des aciers considérés.
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TABLEAU 2 : Aciers Ferrite 1 Bainite
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<tb>
<tb> 1 <SEP> 830 C <SEP> 715 C <SEP> 550 C <SEP> 331 <SEP> 467 <SEP> 17 <SEP> 29 <SEP> 0.
<SEP> 71 <SEP> 13707 <SEP> 45%
<tb> 2 <SEP> 890 C <SEP> 712 C <SEP> 600 C <SEP> 455 <SEP> 508 <SEP> 15 <SEP> 29 <SEP> 0.90 <SEP> 14466 <SEP> 10%
<tb> 2 <SEP> 890 C <SEP> 745 C <SEP> 550 C <SEP> 456 <SEP> 523 <SEP> 14 <SEP> 26 <SEP> 0.87 <SEP> 13779 <SEP> 25%
<tb> 3 <SEP> 870 C <SEP> 670 C <SEP> 550 C <SEP> 475 <SEP> 549 <SEP> 15 <SEP> 26 <SEP> 0.86 <SEP> 14287 <SEP> -30%
<tb> 3 <SEP> 870 C <SEP> 700 C <SEP> 600 C <SEP> 480 <SEP> 556 <SEP> 12 <SEP> 23 <SEP> 0.86 <SEP> 12501-40%
<tb> 1 <SEP> 840 C <SEP> 715 C <SEP> 275 C <SEP> 381 <SEP> 585 <SEP> 12 <SEP> 23 <SEP> 0. <SEP> 65 <SEP> 13368 <SEP> 45%
<tb> 3 <SEP> 870 C <SEP> 670 C <SEP> 350 C <SEP> 515 <SEP> 632 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 0.81 <SEP> 12649 <SEP> 60 <SEP> %
<tb>
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Ce Tableau 2 montre qu'il.
est possible d'obtenir des microstructures multiphase, avec des propriétés de résistance et de ductilité améliorées, à partir de chacune de ces trois nuances d ; aciers". Ce résultat, est obtenu par un choix judicieux et un contrôle adéquat de-la, température intermédiaire et deta température, de bobinage Le choix de la temperature dfle bobinagse permet de régler lA fraction deferrite tränsformée et par corisEquènt aussi la fraction de lassecónde ç per'met de phase ; < iel up ta températurer dp booirge permet dé déterminer la nature de, cette seconde phase (baiiiíte od rriartensitej. Si Qette temirature de bobinage esi bientétudiée, ; efte peut égâteme'ht'perm'ettrëTappariîton'd'une troisième'phase.'C'est notamment te"cas ënfré"20"Ç et 360 C, où une fraction/de marténsite peut apparaître au sein d'une. microstructure'ferrite/ba < nite.
TABLEAU 3, Aciers Dual Phase
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<tb>
<tb> 2 <SEP> 900 C <SEP> 660 C <SEP> Ambiante <SEP> 515 <SEP> 695 <SEP> 11 <SEP> 18 <SEP> 0. <SEP> 74 <SEP> 12453 <SEP> 5%
<tb> 3 <SEP> 870 C <SEP> 660'C <SEP> Ambiante <SEP> 430 <SEP> 706 <SEP> 11 <SEP> 18 <SEP> 0.61 <SEP> 12824 <SEP> 45%
<tb> 2 <SEP> 900 C <SEP> 690 C <SEP> Ambiante <SEP> 532 <SEP> 711 <SEP> 11 <SEP> 16 <SEP> 0.75 <SEP> 11517 <SEP> 10%
<tb> 3 <SEP> 870 C <SEP> 630 C <SEP> Ambiante <SEP> 450 <SEP> 743 <SEP> 13 <SEP> 19 <SEP> 0.61 <SEP> 14119 <SEP> 15-20%
<tb> 1 <SEP> 830 C <SEP> 665 C <SEP> Ambiante <SEP> 459 <SEP> 783 <SEP> 15 <SEP> 0. <SEP> 59 <SEP> 11648. <SEP> 17%
<tb> 3-870 C <SEP> 707 C <SEP> 100 C <SEP> 496 <SEP> 812 <SEP> 11 <SEP> 20 <SEP> 0. <SEP> 61 <SEP> 16240 <SEP> 60%
<tb> ,. <SEP> 3.. <SEP> 870 C. <SEP> 707 C <SEP> Ambiante <SEP> 507 <SEP> 839 <SEP> 16 <SEP> 0.
<SEP> 61 <SEP> 13277
<tb> 1 <SEP> 830 C <SEP> 715 C <SEP> Ambiante <SEP> 488 <SEP> 856 <SEP> 10 <SEP> 13 <SEP> 0. <SEP> 57 <SEP> 10877 <SEP> 35%
<tb>
Le Tableau 3'montre'qu'un refroidissement ultra-rapide de ces mêmes aciers jusqu'à une température de bobinage égale à la température ambiante conduit à la formation de martensite et par conséquent à une résistance accrue tout en conservant une bonne ductilité. La,
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Il 1
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température de bobinage de 100 C correspond à un léger réchauffage de la bande après refroidissement, qui ne nuit pas à sa résistance et améliore même légèrement sa ductilité.
Dans un deuxième exemple, des aciers micro-alliés ont également été soumis à un cycle de traitement suivant l'invention. Leurs compositions chimiques sont données dans le Tableau 4.
TABLEAU 4-Composition chimique (avec précipitation)
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<tb>
<tb> Composition <SEP> chimique <SEP> (10 <SEP> %)
<tb> Nuance <SEP> C <SEP> Mn <SEP> Si <SEP> AI <SEP> N <SEP> Nb <SEP> Tj
<tb> 4 <SEP> 80 <SEP> 1000 <SEP> 30 <SEP> 100
<tb> 5 <SEP> 80 <SEP> 1500 <SEP> 30 <SEP> 100
<tb>
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Les schémas de refroidissement sont indiqués dans les Tableaux 5 et 6, respectivement pour des aciers à microstructure de ferrite/bainite(Tableau 5)etferrite/martensìte(tableau 6). De teis schémas de refroidissement, conformes à l'invention, permettent le durcissement des aciers par. précipitation d'éléments de micro-alliage (Ti) sous forme de carbures.
Une telle précipitation est généralement impossible dans un acier multiphase conventionnel, car elle nécessite un premier
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refroidissement très lent ( < 20oC/s) à haute température ( > 600 C). Les Tableaux 5 et 6 donnent également les propriétés de résistance et de ductilité obtenues avec ces aciers..
TABLEAU 5-Aciers Ferrite/Bainite.............
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<tb>
<tb>
4 <SEP> 640 C <SEP> 450 C <SEP> 547 <SEP> 606 <SEP> 14 <SEP> 23 <SEP> 0.9 <SEP> 13938
<tb> 5 <SEP> 650 C <SEP> 450 C <SEP> 650 <SEP> 706 <SEP> 11 <SEP> 21 <SEP> 0.92 <SEP> 14826
<tb>
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1 1. : . *,.. 1. ..
TABLEAU 6-Aciers Dual Phase
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<tb>
<tb> 4 <SEP> 650 C <SEP> Ambiante <SEP> 539 <SEP> 743 <SEP> 12 <SEP> 21 <SEP> 0.73 <SEP> 15603
<tb> . <SEP> & .. <SEP> ;. <SEP> 650 C <SEP> Ambiante <SEP> 601 <SEP> 853 <SEP> 10 <SEP> 17 <SEP> 0.7 <SEP> 14501
<tb>
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Le procédé de l'invention offre plusieurs avantages importants par rapport à la technique antérieure
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1 En premier lieu, il permet de mieux maîtriser la formation des microstructures, à savoir la fraction de ferrite d'une part et la fraction ainsi que la nature de la seconde phase d'autre part. Les microstructures des deux phases sont en effet obtenues par deux opérations de refroidissement totalement indépendantes, qui permettent de gérer et de réguler séparément les températures conduisant aux microstructures désirées.
La première de ces deux opérations de refroidissement est effectuée sur la table de refroidissement laminaire, à partir de la température de fin de laminage. La vitesse de refroidissement étant ici peu élevée, elle est peu critique et n'est guère influencée par l'effet de l'accélération du laminoir.
Cette opération permet de régler le pourcentage de ferrite formée, en faisant varier les conditions de refroidissement, en particulier le nombre de-sections arrosées, c'est-à-dire en fait la durée du refroidissement, pour obtenir la température intermédiaire désirée La seconde'opération de refroidissement est un refroidissement'brusque, de. préférence ultra- rapide, jusqu'à la température de bobinage correspondant à la, microstructure désirée, de ta seconde. phase, soit'bainite ou-martensite. Ce refroidissement a pour effet :
(dei. figer, lá microstructure formée au cours du premier refroidissement lent afin de permettre ta reprise, de la transformation à ta température de bobinage De ce fait, les microstructures étant contrôlées par le biais des températures du cycle de traitement, il est possible d'obtenir différentes propriétés mécaniques au départ d'une même nuance d'acier. De même, le procédé de l'invention permet de créer des microstructures
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multiphase et de conférer des propriétés intéressantes à des nuances d'aciers qui n'étaient pas prévues.antérieurement' cette fin.''....-'.'''.'';.'.'',-'.'-'.....".'.-,'."-c.. \y.
,'} \ J,, "". f'), De plus, le procédé de l'invention n'est plus limité à un nombre restreint de compositions Chimiques, déterminées pour,, l'obtention-des microstructures désirées. En !'ces. microstructures ne dépendent plus de la composition chimique de l'acier ;- mais, elles, sont le résultat des diverses possibilités de combinaison du refroidissement laminaire lent'. et' du' refroidissement brusque qui le'. suit. Il est dès lors possible d'adapter plus aisément la composition'chimique des aciers pour améliorer leurs propriétés mécaniques, telles que la résistance à la fatigue ou au vieillissement, l'aptitude au soudage ou à l'expansion de trou, l'état de surface ou encore t'aptitude au'découpage.
It peut également en résulter une diminution-des coûts de production de l'acier liés par exemple à. une baisse de productivité ou à des opérations telles que l'écriquage ou le décapage