CA2502079C - Procede de fabrication de toles d'acier durcissables par cuisson, toles d'acier et pieces ainsi obtenues - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication de tôles d'acier durcissables par cuisson comprenant - l'élaboration d'un acier dont la composition comprend, exprimées en en poids, 0,03 <= C <= 0,06, 0,50 <= Mn <= 1,10, 0,08: <= Si <= 0,20, 0,015 <= Al <=, 070, N <= 0,007, Ni <= 0,040, Cu <= 0,040, P <= 0,035,S <= 0,015, Mo <= 0,010, Ti <= 0,005 ; étant entendu qu'elle comprend également du bore en une quantité telle que 0,64 <= BN<= 1,60 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, -la coulée d'une brame de cet acier, puis un laminage à chaud de cette brame pour obtenir une tôle, la température de fin de laminage étant supérieure à celle du point Ar3, - un bobinage de ladite tôle à une température comprise entre 500 et 700~C, puis - un laminage à froid de ladite tôle avec un taux de réduction de 50 à 80%, - un traitement thermique de recuit en continu d'une durée inférieure à 15 minutes, et un écrouissage réalisé avec un taux de réduction compris entre 1,2 et 2,5%, ainsi que les tôles durcissables et les pièces pouvant être obtenues.
Description
Procédé de fabrication de tôles d'acier durcissables par cuisson, tôles d'acier et pièces ainsi obtenues s La présente invention concerne un procédé de fabrication de tôles d'acier durcissables par cuisson, dites à "bake hardening", ainsi que les tôles et les pièces d'acier obtenues par la mise en oeuvre de ce procédé.
Ces tôles et ces pièces d'acier peuvent comporter un revêtement anti-ro corrosion, tel que celui obtenu par galvanisation au trempé à chaud ou par électrozingage. Les tôles d'acier sont plus particulièrement destinées à la fabrication de pièces d'aspect pour l'automobile, comme des capots par exemple, tandis que les pièces de plus grande épaisseur que les tôles, sont plus particulièrement destinées à la réalisation de pièces de structure pour ls automobile, également.
En effet, les pièces d'aspect pour l'automobile doivent être réalisées dans un matériau facile à mettre en oeuvre par emboutissage, présentant à
l'issue de cette mise en oeuvre une bonne résistance à l'indentation, et le plus léger possible afin de diminuer la consommation du véhicule.
2o Or, ces différentes caractéristiques sont contradictoires : un matériau présente une bonne emboutissabilité lorsque sa limite d'élasticité est faible, mais une bonne résistance à l'indentation nécessite que sa limite d'élasticité
soit élevée et son épaisseur importante.
On a donc développé des aciers dits à "bake hardening" (encore 2s appelés aciers à BH) présentant la particularité d'avoir une faible limifie d'élasticité avant mise en forme, ce qui les rend facilement emboutissables.
Mais, une fois emboutis, puis revêtus de peinture et soumis à un traitement thermique de cuisson (170°C pendant 20 minutes, par exemple), on constate que les pièces ou les tôles d'aciers à BH ont une limifie d'élasticité qui a 3o augmenté de façon considérable, ce qui leur confère une bonne résistance à
l'indentation.
Ces tôles et ces pièces d'acier peuvent comporter un revêtement anti-ro corrosion, tel que celui obtenu par galvanisation au trempé à chaud ou par électrozingage. Les tôles d'acier sont plus particulièrement destinées à la fabrication de pièces d'aspect pour l'automobile, comme des capots par exemple, tandis que les pièces de plus grande épaisseur que les tôles, sont plus particulièrement destinées à la réalisation de pièces de structure pour ls automobile, également.
En effet, les pièces d'aspect pour l'automobile doivent être réalisées dans un matériau facile à mettre en oeuvre par emboutissage, présentant à
l'issue de cette mise en oeuvre une bonne résistance à l'indentation, et le plus léger possible afin de diminuer la consommation du véhicule.
2o Or, ces différentes caractéristiques sont contradictoires : un matériau présente une bonne emboutissabilité lorsque sa limite d'élasticité est faible, mais une bonne résistance à l'indentation nécessite que sa limite d'élasticité
soit élevée et son épaisseur importante.
On a donc développé des aciers dits à "bake hardening" (encore 2s appelés aciers à BH) présentant la particularité d'avoir une faible limifie d'élasticité avant mise en forme, ce qui les rend facilement emboutissables.
Mais, une fois emboutis, puis revêtus de peinture et soumis à un traitement thermique de cuisson (170°C pendant 20 minutes, par exemple), on constate que les pièces ou les tôles d'aciers à BH ont une limifie d'élasticité qui a 3o augmenté de façon considérable, ce qui leur confère une bonne résistance à
l'indentation.
2 Dans le cas des pièces de structure, cette propriété de durcissement lors de la cuisson du revêtement est en particulier mise à profit pour réduire l'épaisseur, et donc le poids, de ces pièces.
D'un point de vue métallurgique, ces modifications de caractéristiques s s'expliquent par l'évolution du carbone en solution solide dans l'acier. Ce carbone a naturellement tendance à se fixer sur les dislocations de l'acier jusqu'à saturation de celles-ci, ce qui durcit l'acier. En contrôlant la quantité
de carbone en solution solide et la densité de dislocations présentes dans l'acier au cours du procédé, on peut donc faire en sorte de durcir l'acier lo lorsqu'on le souhaite, en créant de nouvelles dislocations, que l'on sature avec le carbone restant en solution solide, et qui migre sous l'effet d'une activation thermique. II convient cependant d'éviter la présence d'une trop grande quantité de carbone en solution solide, car il pourrait alors entraîner un vieillissement de l'acier sous forme d'un durcissement intempestif avant is emboutissage qui irait à l'encontre du but visé.
On connaît des aciers durcissables par cuisson dont la composition comprend du manganèse et du silicium et une quantité notable de phosphore, aux alentours de 0,1 % en poids. Ces aciers ont de bonnes caractéristiques mécaniques et un gain en limite d'élasticité après cuisson 20 (BH) de l'ordre de 45 MPa, mais présentent un vieillissement naturel important.
La présente invention a donc pour but de mettre à disposition des aciers durcissables par cuisson présentant de bonnes caractéristiques mécaniques, un gain en limite d'élasticité après cuisson (BH) d'au moins 2s 4.0 MPa et qui sont moins sensibles au vieillissement naturel que les aciers de l'art antérieur.
A cet effet, un premier objet de la présente invention est constitué par un procédé de fabrication de tôles d'acier durcissables par cuisson comprenant 30 - l'élaboration d'un acier dont la composition comprend, exprimées en % en poids 0,03 <_ C <_ 0,06
D'un point de vue métallurgique, ces modifications de caractéristiques s s'expliquent par l'évolution du carbone en solution solide dans l'acier. Ce carbone a naturellement tendance à se fixer sur les dislocations de l'acier jusqu'à saturation de celles-ci, ce qui durcit l'acier. En contrôlant la quantité
de carbone en solution solide et la densité de dislocations présentes dans l'acier au cours du procédé, on peut donc faire en sorte de durcir l'acier lo lorsqu'on le souhaite, en créant de nouvelles dislocations, que l'on sature avec le carbone restant en solution solide, et qui migre sous l'effet d'une activation thermique. II convient cependant d'éviter la présence d'une trop grande quantité de carbone en solution solide, car il pourrait alors entraîner un vieillissement de l'acier sous forme d'un durcissement intempestif avant is emboutissage qui irait à l'encontre du but visé.
On connaît des aciers durcissables par cuisson dont la composition comprend du manganèse et du silicium et une quantité notable de phosphore, aux alentours de 0,1 % en poids. Ces aciers ont de bonnes caractéristiques mécaniques et un gain en limite d'élasticité après cuisson 20 (BH) de l'ordre de 45 MPa, mais présentent un vieillissement naturel important.
La présente invention a donc pour but de mettre à disposition des aciers durcissables par cuisson présentant de bonnes caractéristiques mécaniques, un gain en limite d'élasticité après cuisson (BH) d'au moins 2s 4.0 MPa et qui sont moins sensibles au vieillissement naturel que les aciers de l'art antérieur.
A cet effet, un premier objet de la présente invention est constitué par un procédé de fabrication de tôles d'acier durcissables par cuisson comprenant 30 - l'élaboration d'un acier dont la composition comprend, exprimées en % en poids 0,03 <_ C <_ 0,06
3 PCT/FR2003/002985 0,50 s Mn <_ 1,10 0,08 -< Si <-0,20 0,015. <_ AI <-0,070 N <-0,007 Ni <_ 0,040 Cu _<
0,040 P <- 0,035 S <_ 0,015 Mo <_ 0,010 io Ti _<< 0,005 étant entendu qu'elle comprend également du bore en une quantité telle que 0,64 _< N <- 1,60 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, is - la coulée d'une brame de cet acier, puis un laminage à chaud de cette brame pour obtenir une tôle, la température de fin de laminage étant supérieure à celle du point Ar3, - un bobinage de ladite tôle à une température comprise entre 500 et 700°C, puis 20 - un laminage à froid de ladite tôle avec un taux de réduction de 50 à
80%, - un traitement thermique de recuit en continu d'une durée inférieure à 15 minutes, et - un écrouissage réalisé avec un taux de réduction compris entre 1,2 2s et 2,5%.
Dans un premier mode de réalisation préféré, le traitement thermique de recuit en continu comprend - un réchauffement de l'acier jusqu'à lui faire atteindre une 3o température comprise entre 750 et 850°C, - un maintien isotherme,
0,040 P <- 0,035 S <_ 0,015 Mo <_ 0,010 io Ti _<< 0,005 étant entendu qu'elle comprend également du bore en une quantité telle que 0,64 _< N <- 1,60 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, is - la coulée d'une brame de cet acier, puis un laminage à chaud de cette brame pour obtenir une tôle, la température de fin de laminage étant supérieure à celle du point Ar3, - un bobinage de ladite tôle à une température comprise entre 500 et 700°C, puis 20 - un laminage à froid de ladite tôle avec un taux de réduction de 50 à
80%, - un traitement thermique de recuit en continu d'une durée inférieure à 15 minutes, et - un écrouissage réalisé avec un taux de réduction compris entre 1,2 2s et 2,5%.
Dans un premier mode de réalisation préféré, le traitement thermique de recuit en continu comprend - un réchauffement de l'acier jusqu'à lui faire atteindre une 3o température comprise entre 750 et 850°C, - un maintien isotherme,
4 PCT/FR2003/002985 - un premier refroidissement jusqu'à une température comprise entre 380 et 500°C, et - un maintien isotherme, puis - un deuxième refroidissement jusqu'à température ambiante.
s Dans un second mode de réalisation préféré, le premier refroidissement comprend une première partie lente effectuée à une vitesse inférieure à 10 °C/s, puis une seconde partie rapide effectuée à une vitesse comprise entre 20 et 50 °C/s.
Le procédé peut également comprendre les variantes suivantes, prises lo isolément ou en combinaison - la teneur en manganèse et la teneur en silicium de l'acier sont telles que ~ %Mn ~ 15 %~i - la teneur en manganèse de l'acier est comprise entre 0,55 et 0,65% en poids et la teneur en silicium de l'acier est comprise entre 0,08 et 0,12% en is poids, - la teneur en manganèse de l'acier est comprise entre 0,95 et 1,05% en poids et la teneur en silicium de I°acier est comprise entre 0,16 et 0,20% en poids, - la teneur en azote de l'acier est inférieure à 0,005% en poids, 20 - la teneur en phosphore de l'acier est inférieure à 0,015% en poids.
La teneur en carbone de la composition selon l'invention est comprise entre 0,03 et 0,06% en poids, car cet élément abaisse sensiblement la ductilité. II est cependant nécessaire d'en avoir un minimum de 0,03% en poids pour éviter tout problème de vieillissement.
La teneur en manganèse de la composition selon l'invention doit être comprise entre 0,50 et 1,10% en poids. Le manganèse améliore la limite d'élasticité de l'acier tout en réduisant fortement sa ductilité. En dessous de 0,50% en poids, on observe des problèmes de vieillissement, tandis que au-delà de 1,10% en poids, il nuit trop à la ductilité.
3o La teneur en silicium de la composition selon l'invention doit être comprise entre 0,08 et 0,20 % en poids. II améliore fortement la limite d'élasticité de l'acier tout en réduisant faiblement sa ductilité, mais augmente sensiblement sa tendance au vieillissement. Si sa teneur est inférieure à
0,08% en poids, l'acier ne présente pas de bonnes caractéristiques mécaniques, tandis que si elle dépasse 0,20% en poids, on se heurte à des problèmes d'aspect de surfaces sur lesquelles apparaissent des tigrages.
s Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport de la teneur en manganèse par rapport à la teneur en silicium est compris entre 4 et 15 afin d'éviter tout problème de fragilité de soudure par étincelage. En effet, si on se place en dehors de ces valeurs, on observe la formation d'oxydes fragilisants lors de cette opération de soudage.
io Le bore a pour fonction principale de fixer l'azote par précipitation précoce de nitrures de bore. II doit donc être présent en quantité suffisante pour éviter qu'une trop grande quantité d'azote demeure libre, sans toutefois dépasser trop la quantité stoschiométrique car la quantité résiduelle libre pourrait poser des problèmes métallurgiques ainsi qu'une coloration des rives is de bobine. A titre indicatif, on mentionnera que la stoechiométrie stricte est atteinfie pour un rapport B/N de 0,77.
La teneur en aluminium de la composition selon l'invention est comprise entre 0,015 et 0,070 % en poids, sans qu'elle présente une importance critique. L'aluminium est présent dans la nuance selon l'invention 2o du fait du procédé de coulée au cours duquel on ajoute cet élément pour désoxyder l'acier. II importe cependant de ne pas dépasser 0,070% en poids car on rencontrerait alors de problèmes d'inclusions d'oxydes d'aluminium, néfastes pour les caractéristiques mécaniques de l'acier.
Le phosphore est limité dans l'acier selon l'invention à une teneur 2s inférieure à 0,035 % en poids, de préférence inférieure à 0,015 % en poids.
II
permet d'augmenter la limite d'élasticité de la nuance, mais il augmente parallèlement sa tendance au vieillissement dans les traitements thermiques, ce qui explique sa limitation. II est également néfaste pour la ductilité.
La teneur en titane de la composition doit être inférieure à 0,005% en 3o poids, celle en soufre doit être inférieure à 0,015 % en poids, celle en nickel doit être inférieure à 0,040% en poids, celle en cuivre doit être inférieure à
0,040% en poids et celle en molybdéne doit être inférieure à 0,010% en poids. Ces différents éléments constituent en réalité les éléments résiduels issus de l'élaboration de la nuance que l'on rencontre le plus souvent. On limite leurs teneurs car ils sont susceptibles de former des inclusions qui diminuent les caractéristiques mécaniques de la nuance. Parmi ces éléments résiduels peut également se trouver du niobium, que l'on n'ajoute pas à la s composition, mais qui peut être présent à l'état de traces, c'est à dire à
une teneur inférieure à 0,004%, de préférence inférieure à 0,001 %, et de façon particulièrement préférée égale à 0.
Un second objet de l'invention est constitué par une tôle durcissable par cuisson pouvant être obtenue par le procédé selon l'invention et qui io présente une limite d'élasticité comprise entre 260 et 360 MPa, une résistance à la traction comprise entre 320 et 460 MPa, une valeur de BH2 supérieure à 40 MPa, et de préférence supérieure à 60 MPa et un palier de limite d'élasticité inférieur ou égal à 0,2%.
La présente invention va être illustrée à partir des exemples qui ls suivent, le tableau ci-dessous donnant la composition des différents aciers testés en % en poids, parmi lesquels, les coulées 1 à 4 sont conformes à la présente invention tandis que la coulée 5 est utilisée à titre de comparaison Coule 1 Coule 2 Coule 3 Coule 4 Coule 5 C 0,044 0,045 0,038 0,043 0,066 Mn 0,546 0,989 0,598 1,000 0,625 Si 0,089 0,167 0,088 0,179 0,091 N 0,0033 0,0042 0,0032 0,0045 0,0039 B 0,0025 0,0029 0,0051 0,0029 AI 0,047 0,031 0,038 0,029 0,058 P 0,006 0,0065 0,007 0,009 0,078 S 0,010 0,0056 0,01 0,008 0,0076 Cu 0,020 0,025 0,012 0,017 0,029 Ni 0,019 0,022 0,019 0,016 0,023 Ti ~ 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 Mo 1 0,002 0,003 0,008 0,002 X 0,002 2o Le reste de la composition des coulées 1 à 5 est bien entendu constitué de fer et éventuellement d'impuretés résultant de l'élaboration.
Mesure du nain en limite d'élasticité après cuisson . Afin de quantifier le gain possible en limite d'élasticité de l'acier, après cuisson, on procède à des essais conventionnels simulant une mise en s oeuvre réelle au cours de laquelle on emboutit une tôle, puis on la cuit.
On fait donc subir à une éprouvette une traction uniaxiale de 2%, puis un traitement thermique de 170°C pendant 20 minutes.
Au cours de ce processus , on mesure successivement - la limite d'élasticité Re0 de l'éprouvette découpée dans la tôle lo d'acier venant de subir le recuit continu, puis - la limite d'élasticité Re2% de l'éprouvette ayant subie une traction uniaxiale de 2%, puis - la limite d'élasticité ReTT après traitement thermique de 170°C
pendant 20 minutes.
is La différence entre Re0 et Re2% permet de calculer le durcissement du à la mise en oeuvre (worlc hardening ou UVH), tandis que la différence entre Re2% et ReTT conduit au durcissement du à la cuisson que l'on désigne, pour cet essai conventionnel, par BH2.
2o Abréviations employées A : allongement à la rupture en Re : limite d'élasticité en MPa Rm : résistance à la traction en MPa n : coefficient d'écrouissage 2s P : palier de limite d'élasticité en Exemple 1 On fabrique des brames à partir des coulées 1 à 4, puis on les lamine 3o à chaud à une température supérieure à Ar3. Pour ces coulées, la température de fin de laminage est comprise entre 854 et 880°C. On bobine les tôles ainsi obtenues, à une température de bobinage entre 580 et 620°C
WO 2004/035838 ~ PCT/FR2003/002985 pour ces coulées, puis on les lamine à froid avec un taux de réduction qui varie de 70 à 76%.
Les tôles sont ensuite soumises à un recuit continu qui présente les étapes suivantes s - réchauffement de la tôle jusqu'à atteindre une température de 750°C, à une vitesse de réchauffage de 6°C/s, puis - maintien à cette température pendant 50 secondes, - refroidissement lent jusqu'à 650°C, à une vitesse de refroidissement de 4°C/s, puis io - refroidissement rapide jusqu'à 400°C, à une vitesse de refroidissement de 28°C/s, - maintien à cette température pendant 170 secondes, puis - refroidissement à température ambiante, à une vitesse de refroidissement de 5°C/s.
is -On découpe ensuite des éprouvettes dans ces tôles, et on mesure leurs limites d'élasticité ReO. Puis, on soumet ces éprouvettes à une traction uniaxiale de 2% et on mesure leurs limites d'élasticité Re2% ainsi que leurs autres caractéristiques mécaniques. Ensuite, on leur fait subir un traitement 2o thermique conventionnel à 170°C pendant 20 minutes et on mesure leurs nouvelles limites d'élasticité ReTT. ~n calcule ensuite leurs BH2.
Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau suivant Epr~uvette Re Rm P BH2 (MPa) (MPa) (%) (MPa) Coule 1 296 384 0 67 Coule 2 305 422 0 44 Coule 3 284 379 0,2 64 On constate que les coulées 1 à 3 selon l'invention présentent de bonnes caractéristiques mécaniques, une bonne valeur de BH2 et ne présentent pas ou peu de palier de limite d'élasticité.
s On découpe ensuite de nouvelles éprouvettes dans les tôles ayant subi le recuit continu, et on les soumet à un traitement thermique à
75°C
pendant 10 heures. Ce traitement thermique est équivalent à un vieillissement naturel de 6 mois à température ambiante. On obtient les résultats suivants io EprouvetteRe Rm n P% A
(MPa) (MPa) Coule 296 384 0,208 0 36,6 (tatfrais) Coule 2g0 394 0,165 0,1 31,1 (tat vieilli) Coule 305 422 0,189 0 33,1 (tatfrais) Coule 2gg 431 0,160 0 31,0 (tat vieilli) Coule 284 379 0,194 0,2 35,3 (tatfrais) Coule 286 393 0,157 0,2 30,4 (tat vieilli) On constate aprés simulation d'un vieillissement naturel de 6 mois que les coulées 1 à 3 selon l'invention ne présentent pas de reprise de palier rédhibitoire à l'aspect Z (inférieur ou égal à 0.2%).
is Exemple 2 On fabrique des brames à partir des coulées 1 à 5, puis on les lamine à chaud, la température de fin de laminage étant de 850/880°C. On bobine les tôles ainsi obtenues, à une température de bobinage de 580/620°C, puis on les lamine à froid avec un taux de réduction variant de 70/76% pour ces coulées.
Les tôles sont ensuite soumises à un recuit continu qui présente les étapes suivantes s - réchauffement de la tôle jusqu'à atteindre une température de 820°C, à une vitesse de réchauffage de 7°Cls, puis - maintien à cette température pendant 30 secondes, - refroidissement lent jusqu'à 650°C, à une vitesse de refroidissement de 6°C/s, puis io - refroidissement rapide jusqu'à 470°C, à une vitesse de refroidissement de 45°C/s, - maintien à cette température pendant 20 secondes, puis - refroidissement à température ambiante, à une vitesse de refroidissement de 11 °C/s.
is ~n découpe ensuite des éprouvettes dans ces tôles, et on mesure leurs limites d'élasticité ReO. Puis, on soumet ces éprouvettes à une traction uniaxiale de 2% et on mesure leurs limites d'élasticité Re2% ainsi que leurs autres caractéristiques mécaniques. Ensuite, on leur fait subir un traitement thermique conventionnel à 170°C pendant 20 minutes et on mesure leurs 2o nouvelles limites d'élasticité ReTT. On calcule ensuite leurs BH2.
Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau suivant prouvette Re Rm P H2 (MPa) (MPa) (%) (MPa) Coule 1 290 389 0 74 Coule 2 315 424 0 64 Coule 3 282 377 0 82 Coule 4 310 413 0,2 59 Coule 5 333 436 1,2 40 On constate que les coulées 1 à 4 selon l'invention présentent de bonnes caractéristiques mécaniques, une très bonne valeur de BH2 et ne présentent pas ou peu de palier de limite d'élasticité, contrairement à la coulée 5 qui présente 1,2% de palier.
s On découpe ensuite de nouvelles éprouvettes dans les tôles ayant subi le recuit continu, et on les soumet à un traitement thermique à
75°C
pendant 10 heures. Ce traitement thermique est équivalent à un vieillissement naturel de 6 mois à température ambiante. On obtient les résultats suivants io Re Rm n P% A /~
Epr~uvette (MPa) (MPa) Coule 1 290 389 0,197 0 32,6 (tatfrais) Coule 1 294 412 0,160 0,2 27,4 (tat vieilli) Coule 2 315 424 0,180 0 32,8 (tatfrais) Coule 2 325 447 0,147 0 27,3 (tat vieilli) Coule 3 282 377 0,185 0 20,4 (tat frais) Coule 3 295 415 0,148 0 26,2 (tat vieilli) Coule 4 310 413 0,187 0,2 31,7 (tatfrais) Coule 4 311 425 0,163 0,1 29,5 (tat vieilli) Coule 5 333 436 0,186 1,2 31,6 (tat frais) Coule 5 335 446 0,167 1,8 29,4 (tat vieilli) On constate après simulation d'un vieillissement naturel de 6 mois que les coulées 1 à 4 selon l'invention ne présentent pas de palier rédhibitoire à
l'aspect Z (inférieur ou égal à 0,2%), contrairement à la coulée 5 qui présente un palier de 1,8%.
s Dans un second mode de réalisation préféré, le premier refroidissement comprend une première partie lente effectuée à une vitesse inférieure à 10 °C/s, puis une seconde partie rapide effectuée à une vitesse comprise entre 20 et 50 °C/s.
Le procédé peut également comprendre les variantes suivantes, prises lo isolément ou en combinaison - la teneur en manganèse et la teneur en silicium de l'acier sont telles que ~ %Mn ~ 15 %~i - la teneur en manganèse de l'acier est comprise entre 0,55 et 0,65% en poids et la teneur en silicium de l'acier est comprise entre 0,08 et 0,12% en is poids, - la teneur en manganèse de l'acier est comprise entre 0,95 et 1,05% en poids et la teneur en silicium de I°acier est comprise entre 0,16 et 0,20% en poids, - la teneur en azote de l'acier est inférieure à 0,005% en poids, 20 - la teneur en phosphore de l'acier est inférieure à 0,015% en poids.
La teneur en carbone de la composition selon l'invention est comprise entre 0,03 et 0,06% en poids, car cet élément abaisse sensiblement la ductilité. II est cependant nécessaire d'en avoir un minimum de 0,03% en poids pour éviter tout problème de vieillissement.
La teneur en manganèse de la composition selon l'invention doit être comprise entre 0,50 et 1,10% en poids. Le manganèse améliore la limite d'élasticité de l'acier tout en réduisant fortement sa ductilité. En dessous de 0,50% en poids, on observe des problèmes de vieillissement, tandis que au-delà de 1,10% en poids, il nuit trop à la ductilité.
3o La teneur en silicium de la composition selon l'invention doit être comprise entre 0,08 et 0,20 % en poids. II améliore fortement la limite d'élasticité de l'acier tout en réduisant faiblement sa ductilité, mais augmente sensiblement sa tendance au vieillissement. Si sa teneur est inférieure à
0,08% en poids, l'acier ne présente pas de bonnes caractéristiques mécaniques, tandis que si elle dépasse 0,20% en poids, on se heurte à des problèmes d'aspect de surfaces sur lesquelles apparaissent des tigrages.
s Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport de la teneur en manganèse par rapport à la teneur en silicium est compris entre 4 et 15 afin d'éviter tout problème de fragilité de soudure par étincelage. En effet, si on se place en dehors de ces valeurs, on observe la formation d'oxydes fragilisants lors de cette opération de soudage.
io Le bore a pour fonction principale de fixer l'azote par précipitation précoce de nitrures de bore. II doit donc être présent en quantité suffisante pour éviter qu'une trop grande quantité d'azote demeure libre, sans toutefois dépasser trop la quantité stoschiométrique car la quantité résiduelle libre pourrait poser des problèmes métallurgiques ainsi qu'une coloration des rives is de bobine. A titre indicatif, on mentionnera que la stoechiométrie stricte est atteinfie pour un rapport B/N de 0,77.
La teneur en aluminium de la composition selon l'invention est comprise entre 0,015 et 0,070 % en poids, sans qu'elle présente une importance critique. L'aluminium est présent dans la nuance selon l'invention 2o du fait du procédé de coulée au cours duquel on ajoute cet élément pour désoxyder l'acier. II importe cependant de ne pas dépasser 0,070% en poids car on rencontrerait alors de problèmes d'inclusions d'oxydes d'aluminium, néfastes pour les caractéristiques mécaniques de l'acier.
Le phosphore est limité dans l'acier selon l'invention à une teneur 2s inférieure à 0,035 % en poids, de préférence inférieure à 0,015 % en poids.
II
permet d'augmenter la limite d'élasticité de la nuance, mais il augmente parallèlement sa tendance au vieillissement dans les traitements thermiques, ce qui explique sa limitation. II est également néfaste pour la ductilité.
La teneur en titane de la composition doit être inférieure à 0,005% en 3o poids, celle en soufre doit être inférieure à 0,015 % en poids, celle en nickel doit être inférieure à 0,040% en poids, celle en cuivre doit être inférieure à
0,040% en poids et celle en molybdéne doit être inférieure à 0,010% en poids. Ces différents éléments constituent en réalité les éléments résiduels issus de l'élaboration de la nuance que l'on rencontre le plus souvent. On limite leurs teneurs car ils sont susceptibles de former des inclusions qui diminuent les caractéristiques mécaniques de la nuance. Parmi ces éléments résiduels peut également se trouver du niobium, que l'on n'ajoute pas à la s composition, mais qui peut être présent à l'état de traces, c'est à dire à
une teneur inférieure à 0,004%, de préférence inférieure à 0,001 %, et de façon particulièrement préférée égale à 0.
Un second objet de l'invention est constitué par une tôle durcissable par cuisson pouvant être obtenue par le procédé selon l'invention et qui io présente une limite d'élasticité comprise entre 260 et 360 MPa, une résistance à la traction comprise entre 320 et 460 MPa, une valeur de BH2 supérieure à 40 MPa, et de préférence supérieure à 60 MPa et un palier de limite d'élasticité inférieur ou égal à 0,2%.
La présente invention va être illustrée à partir des exemples qui ls suivent, le tableau ci-dessous donnant la composition des différents aciers testés en % en poids, parmi lesquels, les coulées 1 à 4 sont conformes à la présente invention tandis que la coulée 5 est utilisée à titre de comparaison Coule 1 Coule 2 Coule 3 Coule 4 Coule 5 C 0,044 0,045 0,038 0,043 0,066 Mn 0,546 0,989 0,598 1,000 0,625 Si 0,089 0,167 0,088 0,179 0,091 N 0,0033 0,0042 0,0032 0,0045 0,0039 B 0,0025 0,0029 0,0051 0,0029 AI 0,047 0,031 0,038 0,029 0,058 P 0,006 0,0065 0,007 0,009 0,078 S 0,010 0,0056 0,01 0,008 0,0076 Cu 0,020 0,025 0,012 0,017 0,029 Ni 0,019 0,022 0,019 0,016 0,023 Ti ~ 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 Mo 1 0,002 0,003 0,008 0,002 X 0,002 2o Le reste de la composition des coulées 1 à 5 est bien entendu constitué de fer et éventuellement d'impuretés résultant de l'élaboration.
Mesure du nain en limite d'élasticité après cuisson . Afin de quantifier le gain possible en limite d'élasticité de l'acier, après cuisson, on procède à des essais conventionnels simulant une mise en s oeuvre réelle au cours de laquelle on emboutit une tôle, puis on la cuit.
On fait donc subir à une éprouvette une traction uniaxiale de 2%, puis un traitement thermique de 170°C pendant 20 minutes.
Au cours de ce processus , on mesure successivement - la limite d'élasticité Re0 de l'éprouvette découpée dans la tôle lo d'acier venant de subir le recuit continu, puis - la limite d'élasticité Re2% de l'éprouvette ayant subie une traction uniaxiale de 2%, puis - la limite d'élasticité ReTT après traitement thermique de 170°C
pendant 20 minutes.
is La différence entre Re0 et Re2% permet de calculer le durcissement du à la mise en oeuvre (worlc hardening ou UVH), tandis que la différence entre Re2% et ReTT conduit au durcissement du à la cuisson que l'on désigne, pour cet essai conventionnel, par BH2.
2o Abréviations employées A : allongement à la rupture en Re : limite d'élasticité en MPa Rm : résistance à la traction en MPa n : coefficient d'écrouissage 2s P : palier de limite d'élasticité en Exemple 1 On fabrique des brames à partir des coulées 1 à 4, puis on les lamine 3o à chaud à une température supérieure à Ar3. Pour ces coulées, la température de fin de laminage est comprise entre 854 et 880°C. On bobine les tôles ainsi obtenues, à une température de bobinage entre 580 et 620°C
WO 2004/035838 ~ PCT/FR2003/002985 pour ces coulées, puis on les lamine à froid avec un taux de réduction qui varie de 70 à 76%.
Les tôles sont ensuite soumises à un recuit continu qui présente les étapes suivantes s - réchauffement de la tôle jusqu'à atteindre une température de 750°C, à une vitesse de réchauffage de 6°C/s, puis - maintien à cette température pendant 50 secondes, - refroidissement lent jusqu'à 650°C, à une vitesse de refroidissement de 4°C/s, puis io - refroidissement rapide jusqu'à 400°C, à une vitesse de refroidissement de 28°C/s, - maintien à cette température pendant 170 secondes, puis - refroidissement à température ambiante, à une vitesse de refroidissement de 5°C/s.
is -On découpe ensuite des éprouvettes dans ces tôles, et on mesure leurs limites d'élasticité ReO. Puis, on soumet ces éprouvettes à une traction uniaxiale de 2% et on mesure leurs limites d'élasticité Re2% ainsi que leurs autres caractéristiques mécaniques. Ensuite, on leur fait subir un traitement 2o thermique conventionnel à 170°C pendant 20 minutes et on mesure leurs nouvelles limites d'élasticité ReTT. ~n calcule ensuite leurs BH2.
Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau suivant Epr~uvette Re Rm P BH2 (MPa) (MPa) (%) (MPa) Coule 1 296 384 0 67 Coule 2 305 422 0 44 Coule 3 284 379 0,2 64 On constate que les coulées 1 à 3 selon l'invention présentent de bonnes caractéristiques mécaniques, une bonne valeur de BH2 et ne présentent pas ou peu de palier de limite d'élasticité.
s On découpe ensuite de nouvelles éprouvettes dans les tôles ayant subi le recuit continu, et on les soumet à un traitement thermique à
75°C
pendant 10 heures. Ce traitement thermique est équivalent à un vieillissement naturel de 6 mois à température ambiante. On obtient les résultats suivants io EprouvetteRe Rm n P% A
(MPa) (MPa) Coule 296 384 0,208 0 36,6 (tatfrais) Coule 2g0 394 0,165 0,1 31,1 (tat vieilli) Coule 305 422 0,189 0 33,1 (tatfrais) Coule 2gg 431 0,160 0 31,0 (tat vieilli) Coule 284 379 0,194 0,2 35,3 (tatfrais) Coule 286 393 0,157 0,2 30,4 (tat vieilli) On constate aprés simulation d'un vieillissement naturel de 6 mois que les coulées 1 à 3 selon l'invention ne présentent pas de reprise de palier rédhibitoire à l'aspect Z (inférieur ou égal à 0.2%).
is Exemple 2 On fabrique des brames à partir des coulées 1 à 5, puis on les lamine à chaud, la température de fin de laminage étant de 850/880°C. On bobine les tôles ainsi obtenues, à une température de bobinage de 580/620°C, puis on les lamine à froid avec un taux de réduction variant de 70/76% pour ces coulées.
Les tôles sont ensuite soumises à un recuit continu qui présente les étapes suivantes s - réchauffement de la tôle jusqu'à atteindre une température de 820°C, à une vitesse de réchauffage de 7°Cls, puis - maintien à cette température pendant 30 secondes, - refroidissement lent jusqu'à 650°C, à une vitesse de refroidissement de 6°C/s, puis io - refroidissement rapide jusqu'à 470°C, à une vitesse de refroidissement de 45°C/s, - maintien à cette température pendant 20 secondes, puis - refroidissement à température ambiante, à une vitesse de refroidissement de 11 °C/s.
is ~n découpe ensuite des éprouvettes dans ces tôles, et on mesure leurs limites d'élasticité ReO. Puis, on soumet ces éprouvettes à une traction uniaxiale de 2% et on mesure leurs limites d'élasticité Re2% ainsi que leurs autres caractéristiques mécaniques. Ensuite, on leur fait subir un traitement thermique conventionnel à 170°C pendant 20 minutes et on mesure leurs 2o nouvelles limites d'élasticité ReTT. On calcule ensuite leurs BH2.
Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau suivant prouvette Re Rm P H2 (MPa) (MPa) (%) (MPa) Coule 1 290 389 0 74 Coule 2 315 424 0 64 Coule 3 282 377 0 82 Coule 4 310 413 0,2 59 Coule 5 333 436 1,2 40 On constate que les coulées 1 à 4 selon l'invention présentent de bonnes caractéristiques mécaniques, une très bonne valeur de BH2 et ne présentent pas ou peu de palier de limite d'élasticité, contrairement à la coulée 5 qui présente 1,2% de palier.
s On découpe ensuite de nouvelles éprouvettes dans les tôles ayant subi le recuit continu, et on les soumet à un traitement thermique à
75°C
pendant 10 heures. Ce traitement thermique est équivalent à un vieillissement naturel de 6 mois à température ambiante. On obtient les résultats suivants io Re Rm n P% A /~
Epr~uvette (MPa) (MPa) Coule 1 290 389 0,197 0 32,6 (tatfrais) Coule 1 294 412 0,160 0,2 27,4 (tat vieilli) Coule 2 315 424 0,180 0 32,8 (tatfrais) Coule 2 325 447 0,147 0 27,3 (tat vieilli) Coule 3 282 377 0,185 0 20,4 (tat frais) Coule 3 295 415 0,148 0 26,2 (tat vieilli) Coule 4 310 413 0,187 0,2 31,7 (tatfrais) Coule 4 311 425 0,163 0,1 29,5 (tat vieilli) Coule 5 333 436 0,186 1,2 31,6 (tat frais) Coule 5 335 446 0,167 1,8 29,4 (tat vieilli) On constate après simulation d'un vieillissement naturel de 6 mois que les coulées 1 à 4 selon l'invention ne présentent pas de palier rédhibitoire à
l'aspect Z (inférieur ou égal à 0,2%), contrairement à la coulée 5 qui présente un palier de 1,8%.
Claims (9)
1. Procédé de fabrication de tôles d'acier durcissables par cuisson comprenant:
- l'élaboration d'un acier dont la composition comprend, exprimées en % en poids :
0,03 < = C < = 0,06 0,50 < = Mn < = 1,10 0,08 < = Si < = 0,20 0,015 < = Al < = 0,070 N < = 0,007 Ni < = 0,040 Cu < = 0,040 P < = 0,035 S < = 0,015 Mo < = 0,010 Ti < = 0,005 étant entendu qu'elle comprend également du bore en une quantité telle que :
0,64 < = B/N < = 1,60 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, - la coulée d'une brame de cet acier, puis un laminage à chaud de cette brame pour obtenir une tôle, la température de fin de laminage étant supérieure à
celle du point Ar3, - un bobinage de ladite tôle à une température comprise entre 500 et 700°C, puis - un laminage à froid de ladite tôle avec un taux de réduction de 50 à 80%, - un traitement thermique de recuit en continu d'une durée inférieure 15 minutes, - un écrouissage réalisé avec un taux de réduction compris entre 1,2 et 2,5%, caractérisé en ce que ledit traitement thermique de recuit en continu comprend:
- un réchauffement de l'acier jusqu'à lui faire atteindre une température comprise entre 750 et 850°C, - un maintien isotherme, et - suivi par un premier refroidissement qui comprend une première partie lente effectuée à une vitesse inférieure à 10 °C/s, puis une seconde partie rapide effectuée à
une vitesse comprise entre 20 et 50 °C/s.
- l'élaboration d'un acier dont la composition comprend, exprimées en % en poids :
0,03 < = C < = 0,06 0,50 < = Mn < = 1,10 0,08 < = Si < = 0,20 0,015 < = Al < = 0,070 N < = 0,007 Ni < = 0,040 Cu < = 0,040 P < = 0,035 S < = 0,015 Mo < = 0,010 Ti < = 0,005 étant entendu qu'elle comprend également du bore en une quantité telle que :
0,64 < = B/N < = 1,60 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, - la coulée d'une brame de cet acier, puis un laminage à chaud de cette brame pour obtenir une tôle, la température de fin de laminage étant supérieure à
celle du point Ar3, - un bobinage de ladite tôle à une température comprise entre 500 et 700°C, puis - un laminage à froid de ladite tôle avec un taux de réduction de 50 à 80%, - un traitement thermique de recuit en continu d'une durée inférieure 15 minutes, - un écrouissage réalisé avec un taux de réduction compris entre 1,2 et 2,5%, caractérisé en ce que ledit traitement thermique de recuit en continu comprend:
- un réchauffement de l'acier jusqu'à lui faire atteindre une température comprise entre 750 et 850°C, - un maintien isotherme, et - suivi par un premier refroidissement qui comprend une première partie lente effectuée à une vitesse inférieure à 10 °C/s, puis une seconde partie rapide effectuée à
une vitesse comprise entre 20 et 50 °C/s.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit traitement thermique de recuit en continue comprend ledit premier refroidissement jusqu'à une température comprise entre 380 et 500°C, et un maintien isotherme, puis un deuxième refroidissement jusqu'à
température ambiante.
température ambiante.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la teneur en manganèse et la teneur en silicium de l'acier sont telles que:
4 < = %Mn/%Si < = 15.
4 < = %Mn/%Si < = 15.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en manganèse de l'acier est comprise entre 0,55 et 0,65% en poids et la teneur en silicium de l'acier est comprise entre 0,08 et 0,12% en poids.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en manganèse de l'acier est comprise entre 0,95 et 1,05% en poids et la teneur en silicium de l'acier est comprise entre 0,16 et 0,20% en poids.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la teneur en azote de l'acier est inférieure à 0,005% en poids.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en phosphore de l'acier est inférieure à 0,015% en poids.
8. Tôle durcissable par cuisson dont la composition comprend, exprimées en %
en poids :
0,03 < = C < = 0,06 0,50 < = Mn < = 1,10 0,08 < = Si < = 0,20 0,015 < = Al < = 0,070 N < = 0,007 Ni < = 0,040 Cu < = 0,040 P < = 0,035 S < = 0,015 Mo < = 0,010 Ti < = 0,005 étant entendu qu'elle comprend également du bore en une quantité telle que :
0,64 < = B/N < = 1,60 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, caractérisée en ce qu'elle présente une limite d'élasticité comprise entre 260 et 360 MPa, une résistance à la traction comprise entre 320 et 460 MPa, une valeur de BH2 supérieure à 60 MPa et un palier de limite d'élasticité inférieur ou égal à 0,2%.
en poids :
0,03 < = C < = 0,06 0,50 < = Mn < = 1,10 0,08 < = Si < = 0,20 0,015 < = Al < = 0,070 N < = 0,007 Ni < = 0,040 Cu < = 0,040 P < = 0,035 S < = 0,015 Mo < = 0,010 Ti < = 0,005 étant entendu qu'elle comprend également du bore en une quantité telle que :
0,64 < = B/N < = 1,60 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, caractérisée en ce qu'elle présente une limite d'élasticité comprise entre 260 et 360 MPa, une résistance à la traction comprise entre 320 et 460 MPa, une valeur de BH2 supérieure à 60 MPa et un palier de limite d'élasticité inférieur ou égal à 0,2%.
9. Pièce pouvant être obtenue par découpe d'une ébauche dans une tôle durcissable selon la revendication 8, puis peinture et cuisson à moins de 200°C de ladite ébauche.
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