EP1897963A1 - Tole d'acier pour la fabrication de structures allegées et procédé de fabrication de cette tole - Google Patents

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EP1897963A1
EP1897963A1 EP06291413A EP06291413A EP1897963A1 EP 1897963 A1 EP1897963 A1 EP 1897963A1 EP 06291413 A EP06291413 A EP 06291413A EP 06291413 A EP06291413 A EP 06291413A EP 1897963 A1 EP1897963 A1 EP 1897963A1
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EP
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steel
steel sheet
equal
tib
sheet according
Prior art date
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Withdrawn
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EP06291413A
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German (de)
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Inventor
Frédéric Bonnet
Olivier Bouaziz
Jean-Claude Chevallot
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ArcelorMittal France SA
Original Assignee
Arcelor France SA
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Publication date
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    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/14—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium

Definitions

  • the invention relates to the manufacture of steel sheets or structural parts simultaneously combining a high modulus of elasticity E, a reduced density and a high strength.
  • the invention aims to solve the above problems, in particular the large scale and economical provision of module steels. increased elasticity by the presence of TiB 2 particles.
  • the invention aims in particular at providing a continuous casting manufacturing method which does not present any particular difficulties when casting steels.
  • the invention relates to a steel sheet whose chemical composition comprises, the contents being expressed by weight: 0.010% ⁇ C ⁇ 0.20%, 0.06% ⁇ Mn ⁇ 3%, Si ⁇ 1.5%, 0.005% ⁇ Al ⁇ 1.5%, S ⁇ 0.030%, P ⁇ 0.040%, of titanium and boron in quantities such that: 2.5% ⁇ Ti ⁇ 7.2%, (0, 45 xTi) - 0.35% ⁇ B ⁇ (0.45 xTi) + 0.70%, optionally one or more elements chosen from: Ni ⁇ 1%, Mo ⁇ 1%, Cr ⁇ 3%, Nb ⁇ 0, 1%, V ⁇ 0.1%, the remainder of the composition consisting of iron and unavoidable impurities resulting from the preparation.
  • the titanium and boron contents are such that: -0.22 ⁇ B - (0.45 ⁇ Ti) ⁇ 0.35.
  • the contents of titanium and boron, expressed as% by weight, are such that: -0.35 ⁇ B - (0.45 ⁇ Ti) - 0.22.
  • the titanium content is preferably such that: 4.6% ⁇ Ti ⁇ 6.9%.
  • the titanium content is such that: 4.6% ⁇ Ti ⁇ 6%.
  • the carbon content is preferably such that: C ⁇ 0.080%.
  • the carbon content satisfies: C ⁇ 0.050%.
  • the chromium content is preferably such that: Cr ⁇ 0.08%.
  • the invention also relates to a steel sheet of the above composition, comprising eutectic precipitates of TiB 2 and optionally Fe 2 B, whose average size is less than or equal to 15 microns, and preferably less than or equal to 10 micrometers
  • more than 80% by number of TiB 2 precipitates have a monocrystalline character.
  • the invention also relates to a steel sheet according to the above characteristics, whose average grain size is less than or equal to 15 microns, preferably less than or equal to 5 microns.
  • the invention also relates to a steel sheet according to one of the above characteristics, whose modulus of elasticity measured in the rolling direction is greater than or equal to 230GPa, preferably greater than or equal to 240GPa, or preferentially greater than or equal to 250GPa
  • the strength of the steel sheet is greater than or equal to 500 MPa and its uniform elongation is greater than or equal to 8%.
  • the subject of the invention is also an article manufactured from a plurality of steel parts, of identical or different composition, of identical or different thickness, at least one of the steel parts being a steel sheet. according to any one of the above features, welded to at least one of the other parts of this object.
  • the invention also relates to a method according to which a steel is supplied according to any one of the above compositions, and the steel is cast as a semi-finished product.
  • the semi-finished product is cast as slabs or thin products between counter-rotating rolls.
  • the casting temperature does not exceed the liquidus temperature of the steel by more than 40.degree.
  • the cooling rate during the solidification of the casting is preferably greater than or equal to 0.1 ° C./s.
  • the semi-finished product is thermally rolled, optionally cold rolling and annealing, the rolling and annealing conditions being adjusted so that a steel sheet whose size is obtained is obtained.
  • grain average is less than or equal to 15 micrometers, preferably less than or equal to 5 micrometers:
  • At least one blank is cut from a steel sheet or an object according to one of the above modes, or manufactured according to one of the above modes, and the the blank is deformed into a range of temperature ranging from 20 ° to 900 ° C.
  • the invention also relates to a manufacturing method according to which one welds at least one steel sheet according to one of the above modes, or a steel sheet manufactured according to one of the modes above.
  • the invention also relates to the use of a steel sheet according to one of the above modes, or manufactured according to one of the above modes, for the manufacture of structural parts or elements reinforcement in the automotive field.
  • Carbon content is limited due to weldability: cold cracking resistance and heat-affected Zone tenacity decrease when the C content is greater than 0.20%.
  • the resistance weldability is particularly improved.
  • the carbon content is preferably limited in order to avoid a primary precipitation of TiC and / or Ti (C, N) in the liquid metal. These precipitates which form in the liquid are detrimental to the flowability in the continuous casting process of the liquid steel. On the other hand, when this precipitation occurs in the solidification or solid phase interval, it has a favorable effect on the structural hardening.
  • the maximum carbon content must therefore preferably be limited to 0.080% so as to reveal the TiC and / or Ti (C, N) precipitates, mainly during the eutectic or solid phase solidification.
  • manganese increases the quenchability, contributes to hardening in solid solution and thus to obtaining increased strength. It combines with any sulfur present, reducing the risk of hot cracking. However, beyond a content of 3% by weight of manganese, the risk of formation of a harmful band structure that would result from an eventual segregation of the manganese during solidification is increased.
  • Silicon effectively contributes to increasing strength through solid solution hardening.
  • an excessive addition of silicon causes the formation of adherent oxides that are difficult to remove during a stripping operation, and the possible appearance of surface defects due in particular to a lack of wettability in the dip galvanizing operations.
  • the silicon content should not exceed 1.5% by weight.
  • aluminum is a very effective element for the deoxidation of steel. Beyond a content of 1.5% by weight, excessive primary precipitation of alumina occurs, however, causing flowability problems.
  • Phosphorus is a known element to segregate at grain boundaries. Its content must not exceed 0.040% so as to maintain a sufficient hot ductility by avoiding the creasability and to avoid hot cracking during welding.
  • nickel or molybdenum can be added to increase the strength of the steel. For economic reasons, these additions are limited to 1% by weight.
  • chromium can be added to increase the strength. It also makes it possible to precipitate borides in a larger quantity. However, its content is limited to 3% by weight to make a less expensive steel.
  • a chromium content of less than or equal to 0.080% will be chosen.
  • an excessive addition of Cr leads to more borides being precipitated, but these are borides of (Fe, Cr)
  • niobium and vanadium may be added in an amount less than or equal to 0.1%, so as to obtain a complementary hardening in the form of precipitation of fine carbonitrides.
  • a eutectic Fe-TiB 2 precipitation occurs during solidification.
  • the eutectic character of the precipitation confers on the microstructure formed a particular character of fineness and homogeneity that is advantageous for the mechanical properties.
  • the modulus of elasticity of the steel measured in the rolling direction may exceed about 220 GPa.
  • the module can exceed 240 GPa approximately which allows to design structures with significant relief. This amount can be increased to 15% by volume to exceed about 250 GPa, especially in the case of steels comprising alloying elements such as chromium or molybdenum. The presence of these elements increases the maximum amount of TiB 2 that can be obtained in the case of eutectic precipitation.
  • the boron and titanium contents according to the invention make it possible to avoid a coarse primary precipitation of TiB 2 in the liquid metal.
  • the formation of these primary precipitates of sometimes large size (several tens of micrometers) must be avoided because of their harmful role vis-à-vis mechanisms of damage or rupture during subsequent mechanical stresses.
  • these precipitates appeared in the liquid metal, when they do not decant, are distributed in a localized manner and reduce the homogeneity of the mechanical properties. This early precipitation must be avoided because it can lead to a plugging of nozzles from the continuous casting of steel following the agglomeration of precipitates.
  • titanium must be present in sufficient quantity to lead to the endogenous formation of TiB 2 in the form of eutectic Fe-TiB 2 precipitation.
  • the titanium may also be present dissolved at room temperature in the matrix in an over-stoichiometric proportion relative to boron, calculated from TiB 2 .
  • the precipitation takes place in the form of two successive eutectics: Fe-TiB 2 in the first place, then Fe-Fe 2 B, this second endogenous Fe 2 B precipitation intervenes in greater or lesser quantity depending on the boron content of the alloy.
  • the amount precipitated as Fe 2 B can be up to 8% by volume.
  • This second precipitation also occurs according to a eutectic scheme to obtain a fine and homogeneous distribution, which ensures a good homogeneity of the mechanical characteristics.
  • Fe 2 B completes that of TiB 2 , the maximum amount of which is linked to the eutectic.
  • Fe 2 B has a role similar to that of TiB 2 . It increases the modulus of elasticity and decreases the density. It is thus possible to adjust the mechanical properties in a fine way by adjusting the precipitation complement of Fe 2 B with respect to the precipitation of TiB 2 .
  • This is a means that can be used in particular to obtain a modulus of elasticity greater than 250 GPa in steel as well as an increase in the mechanical strength of the product.
  • the modulus of elasticity increases by more than 5 GPa.
  • the elongation at break is then between 14% and 16% and the mechanical strength reaches 590 MPa.
  • the amount of Fe 2 B is greater than 7.5% by volume, the modulus of elasticity is increased by more than 10 GPa but the elongation at break is then less than 9%.
  • the average size of the eutectic precipitates of TiB 2 or Fe 2 B is less than or equal to 15 microns so as to obtain increased elongation characteristics and good fatigue properties.
  • the elongation at break may be greater than 20%.
  • the inventors have demonstrated that, when more than 80% of the number of TiB 2 eutectic precipitates have a monocrystalline character, the matrix-precipitated damage during a mechanical stress is reduced and the risk of defect formation is lower. because of the greater plasticity of the precipitate and its great cohesion with the matrix. In particular, it has been demonstrated that larger TiB 2 precipitates have hexagonal crystallization. Without wishing to be bound by theory, it is believed that this crystallographic character confers an increased possibility of deformation by twinning of these precipitates under the effect of a mechanical stress.
  • the inventors have shown that the limitation of the grain size was a very effective way to increase the mechanical characteristics of traction: When the average size grain is less than or equal to 15 micrometers, the resistance may exceed 560 MPa approximately.
  • the casting may be carried out in a format allowing the manufacture of products of various geometries, in particular the manufacture of long products.
  • the fineness of the precipitation of TiB 2 and Fe 2 B increases the strength, ductility, resilience, formability and mechanical behavior in the Heat Affected Zone.
  • the fineness of the precipitation is increased by a low casting temperature and a higher cooling rate. In particular, it has been found that a casting temperature limited to 40 ° C beyond the liquidus temperature, led to the obtaining of such fine microstructures.
  • the casting conditions will also be chosen so that the cooling rate at the time of solidification is greater than or equal to 0.1 ° C./s so that the size of the precipitates of TiB 2 and Fe 2 B is particularly fine.
  • the steel sheet thus obtained thus has a very good aptitude for shaping: without wishing to be bound by theory, it is believed that the eutectic precipitates present within a highly deformable matrix play a role similar to that played by the martensitic or bainitic phases within the ferrite in "Dual-Phase" type steels.
  • Steels according to the invention have a ratio (elasticity limit Re / resistance Rm) favorable to various shaping operations.
  • a blank is cut from the sheet and deformation is carried out by means such as stamping, folding in a range of temperature included between 20 and 900 ° C. Very good thermal stability of the TiB 2 and Fe 2 B hardening phases is observed up to 1100 ° C.
  • pieces of complex geometry with an increased modulus of elasticity can be produced according to the invention.
  • the increase of the modulus of elasticity of the steels according to the invention decreases the springback after the shaping operations and thus increases the dimensional accuracy on finished parts.
  • Structural elements are also advantageously manufactured by welding steels according to the invention of identical or different composition or thickness.
  • the melted zone given the high temperature reached, there is a partial dissolution of the precipitates and their reprecipitation cooling.
  • the amount of precipitates in the melted zone is very comparable to that of the base metal.
  • ZAC Heat Affected Zone
  • composition of a reference steel R1 containing no endogenous eutectic precipitates of TiB 2 or Fe 2 B has been indicated for comparison.
  • FIGS. 1 and 2 respectively relating to steels I-1 and I-2, shows a fine and homogeneous dispersion of endogenous TiB 2 precipitates within a ferritic matrix. Boron precipitates as a Fe-TiB 2 binary eutectic.
  • the volume amounts of precipitates were measured by means of an image analyzer and are respectively 9% and 12.4% for steels I-1 and 1-2.
  • the amount of TiB 2 in the form of primary precipitates is less than 2% by volume and promotes good flowability.
  • the average sizes of the eutectic precipitates of TiB 2 are 5 and 8 microns respectively for the I-1 and I-2 steels. Among the population of these precipitates, more than 80% in number have a monocrystalline character.
  • the semi-finished products were then hot-rolled in the form of sheets to a thickness of 3.5 mm, the end-of-rolling temperature being 940 ° C. Hot rolling was followed by winding at 700 ° C.
  • the average grain size of steel I-1 is 12 micrometers whereas it is 28 micrometers for the reference steel.
  • the modulus of elasticity of the steels I-1 and I-2 measured in the rolling direction are 230 GPa and 240 GPa, respectively.
  • the modulus of elasticity of the reference steel R-1 is 210 GPa.
  • the ratio Re / Rm of the hot-rolled or cold-rolled sheets according to the invention is close to 0.5, reflecting a mechanical behavior approaching that of a Dual-Phase steel and a good aptitude for subsequent shaping.
  • Table 4 shows the composition of three steels according to the invention.
  • Table 4 Steel compositions according to the invention (% by weight) Steel VS mn al Yes S P Ti B B- (0.45 xTi) I-3 0.0465 0.082 0.15 0.17 0.0014 0,008 5.5 2.8 0.32 I-4 0.0121 0.086 0.113 1.12 0,002 0,004 5.37 2.86 0.44 I-5 0.0154 0.084 0.1 0.885 0.0019 0,004 5.5 3.16 0.68
  • the steels were produced by casting semi-finished products, the additions of titanium and boron being carried out in the form of ferroalloys.
  • the casting temperature is 40 ° C above the liquidus temperature.
  • the steels I-3 to I-5 have an excess of boron with respect to the stoichiometry of TiB 2 so that eutectic co-precipitation of TiB 2 and Fe 2 B occur.
  • the volume amounts of eutectic precipitates are shown in Table 5.
  • Table 5 Precipitation content (% by volume) relative to I-3-4-5 steels Steel % by volume TiB 2 % by volume Fe 2 B I-3 13 3.7 I-4 12.8 5.1 I-5 13 7.9
  • FIG. 4 illustrates, in the case of steel I-3, the coexistence of TiB 2 and Fe 2 B precipitates.
  • the Fe 2 B precipitates appearing in light gray and the darker TiB 2 precipitates are dispersed. within the ferritic matrix.
  • Semi-finished steel products of composition I-2 were cast at a temperature of 1330 ° C. By varying the intensity of the cooling flow of these semi-finished products, and the thickness of the cast half-products, two cooling rates were achieved, namely 0.8 and 12 ° C / s.
  • the microstructures shown in FIGS. 6 and 7 illustrate that an increased cooling rate makes it possible to very significantly refine the eutectic Fe-TiB 2 precipitation.
  • the TiB 2 precipitates are therefore present in the various zones of the bond (base metal, ZAC, molten zone), thus the increase of the modulus of elasticity and the reduction of the density are carried out in the whole of the welded joint.
  • a 1-2 steel sheet was also welded by LASER without any difficulty in operation with a soft, stampable steel sheet whose composition contains (% by weight): 0.003% C, 0.098% Mn, 0.005% Si, 0.059% Al , 0.051% Ti, 0.0003% B, as well as unavoidable impurities resulting from the elaboration.
  • the melted zone still contains eutectic Fe-TiB 2 precipitation, in a proportion that is naturally less important than in the case of autogenous welding. In this way, it is possible to manufacture metal structures whose rigidity properties vary locally and whose mechanical characteristics correspond more specifically to the local requirements for implementation or maintenance in service
  • the invention thus allows the manufacture of structural parts or reinforcing elements with an increased level of performance, both in terms of intrinsic lightening as the increase of the modulus of elasticity.
  • the easy welding of the steel sheets according to the invention makes their incorporation possible within more complex structures, in particular by means of connections with pieces of steels of different composition or thickness. We will take particular advantage of these different characteristics in the automotive field.

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Abstract

L'invention concerne une tôle d'acier dont la composition comprend, les teneurs étant exprimées en poids : 0,010% ‰ C ‰ 0,20% , 0,06 % ‰ Mn ‰ 3%, Si ‰ 1,5%, 0,005% ‰ Al ‰ 1,5%, S ‰ 0,030%, P ‰ 0,040%, 2,5% ‰ Ti ‰ 7,2%, (0,45 xTi) - 0,35% ‰ B ‰ (0,45 xTi) + 0,70%, et optionnellement, un ou plusieurs éléments choisis parmi : Ni ‰ 1%, Mo ‰ 1%, Cr ‰ 3%, Nb ‰ 0,1%, V ‰ 0,1%, le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration

Description

  • L'invention concerne la fabrication de tôles ou de pièces structurales en acier combinant simultanément un module d'élasticité E élevé, une densité d réduite et une haute résistance.
  • On sait que les performances mécaniques d'éléments structuraux varient comme Ex/d, le coefficient x dépendant du mode de sollicitation externe (traction ou flexion par exemple) ou de la géométrie des éléments (tôles, barres) Ceci illustre l'intérêt de disposer de matériaux présentant simultanément un module d'élasticité élevé et une densité réduite.
  • Ce besoin existe tout particulièrement dans l'industrie automobile où l'allègement des véhicules et la sécurité sont des préoccupations constantes. On a cherché ainsi à augmenter le module d'élasticité et à réduire le poids de pièces en acier en incorporant des particules de céramiques de différentes natures, telles que carbures, nitrures, oxydes ou borures. En effet, ces matériaux présentent un module d'élasticité nettement plus élevé, allant environ de 250 à 550 GPa, que celui des aciers de base, de l'ordre de 210 GPa, où ils sont incorporés. On obtient de la sorte un durcissement par un transfert de charge entre la matrice et les particules de céramique sous l'influence d'une contrainte. L'affinement de la taille de grains de la matrice par les particules céramiques accroît en outre ce durcissement. Afin de fabriquer ces matériaux comportant des particules de céramique réparties de manière uniforme dans une matrice d'acier, on connaît des procédés qui sont basés sur la métallurgie des poudres : on élabore dans un premier temps des poudres de céramique à géométrie contrôlée, on mélange celles-ci à des poudres d'acier, ce qui correspond pour l'acier à un apport exogène de particules de céramique. Le tout est compacté en moule puis porté à une température telle que l'on observe le frittage de ce mélange. Dans une variante du procédé, on mélange des poudres métalliques de façon à obtenir la formation des particules de céramique lors de la phase de frittage. En dépit de caractéristiques mécaniques améliorées par rapport à des aciers ne comportant pas de dispersion de particules de céramique, ce type de procédé souffre de plusieurs limitations :
    • II nécessite des conditions soigneuses d'élaboration et de mise en oeuvre pour ne pas provoquer de réaction avec l'atmosphère, compte tenu de la surface spécifique élevée des poudres métalliques.
    • Même après les opérations de compaction et de frittage, il peut subsister éventuellement des porosités résiduelles susceptibles de jouer un rôle de sites d'amorçage lors de sollicitations cycliques.
    • La composition chimique des interfaces matrice/particules, et donc leur cohésion, est difficile à contrôler compte tenu de la contamination superficielle des poudres avant frittage (présence d'oxydes, de carbone)
    • Lorsque les particules sont ajoutées en quantité importante, ou en présence de certaines particules de grande taille, les propriétés d'allongement diminuent.
    • Ce type de procédé est adapté à la production en petite quantité mais ne saurait répondre aux besoins à très grande échelle de l'industrie automobile.
    • Les coûts de fabrication associés à ce type de procédé de fabrication sont élevés.
  • On connaît également dans le cas d'alliages légers, des procédés de fabrication reposant sur l'addition exogène de poudres de céramiques dans le métal liquide. Là encore, ces procédés soufrent de la plupart des défauts mentionnés ci-dessus. On mentionnera plus particulièrement la difficulté d'une dispersion homogène des particules, celles-ci ayant tendance à l'agglomération ou à la décantation/flottation dans le métal liquide.
  • Parmi les céramiques qui pourraient être utilisées pour accroître les propriétés des aciers, on connaît en particulier le diborure de titane TiB2 qui présente les caractéristiques intrinsèques suivantes :
    • Module d'élasticité : 565 GPa
    • Densité : 4,52
  • Cependant, les procédés de fabrication reposant sur des additions exogènes de particules de TiB2, soufrent des inconvénients mentionnés précédemment.
  • L'invention vise à résoudre les problèmes ci-dessus, en particulier la mise à disposition à grande échelle et par une voie économique d'aciers à module d'élasticité accru par la présence de particules de TiB2. L'invention vise notamment à la mise à disposition d'un procédé de fabrication par coulée continue ne présentant pas de difficultés particulières lors de la coulée des aciers.
  • Elle vise encore à mettre à disposition des aciers comportant une quantité de particules de TiB2 la plus importante possible dispersée de manière homogène dans la matrice.
  • Elle vise encore à mettre à disposition des aciers à haute résistance, dont l'allongement uniforme soit supérieur ou égal à 8% et présentant une grande aptitude à différents procédés de soudage, notamment au soudage par résistance.
  • A cet effet, l'invention a pour objet une tôle d'acier dont la composition chimique comprend, les teneurs étant exprimées en poids : 0,010% ≤ C ≤ 0,20%, 0,06 % ≤ Mn ≤ 3%, Si ≤ 1,5%, 0,005% ≤ Al ≤ 1,5%, S ≤ 0,030%, P ≤ 0,040%, du titane et du bore en quantités telles que : 2,5% ≤ Ti ≤ 7,2%, (0,45 xTi) - 0,35% ≤ B ≤(0,45 xTi) + 0,70%, optionnellement un ou plusieurs éléments choisis parmi : Ni ≤ 1 %, Mo ≤ 1 %, Cr ≤ 3%, Nb ≤ 0,1%, V ≤ 0,1%, le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration.
  • Préférentiellement, les teneurs en titane et en bore, exprimées en % poids, sont telles que : -0,22 ≤ B - (0,45x Ti) ≤ 0,35.
  • A titre préféré, les teneurs en titane et en bore, exprimées en % poids, sont telles que : -0,35 ≤ B - (0,45x Ti) < - 0,22.
  • La teneur en titane est préférentiellement telle que : 4,6% ≤ Ti ≤ 6,9%.
  • Selon un mode particulier, la teneur en titane est telle que : 4,6% ≤ Ti ≤ 6%.
  • La teneur en carbone est préférentiellement telle que : C ≤ 0,080%.
  • Selon un mode préféré, la teneur en carbone satisfait à : C ≤ 0,050%.
  • La teneur en chrome est préférentiellement telle que : Cr ≤ 0,08%.
  • L'invention a également pour objet une tôle d'acier de composition ci-dessus, comprenant des précipités eutectiques de TiB2 et éventuellement de Fe2B, dont la taille moyenne est inférieure ou égale à 15 micromètres, et préférentiellement inférieure ou égale à 10 micromètres
  • Préférentiellement, plus de 80% en nombre des précipités de TiB2 ont un caractère monocristallin.
  • L'invention a également pour objet une tôle d'acier selon les caractéristiques ci-dessus, dont la taille moyenne de grain est inférieure ou égale à 15 micromètres, préférentiellement inférieure ou égale à 5 micromètres.
  • L'invention a également pour objet une tôle d'acier selon l'une des caractéristiques ci-dessus, dont le module d'élasticité mesuré dans le sens du laminage est supérieur ou égal à 230GPa, préférentiellement supérieur ou égal à 240GPa, ou préférentiellement supérieur ou égal à 250GPa
  • Selon un mode particulier, la résistance de la tôle d'acier est supérieure ou égale à 500MPa et son allongement uniforme est supérieur ou égal à 8%.
  • L'invention a également pour objet un objet fabriqué à partir d'une pluralité de pièces d'acier, de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, l'une au moins des pièces d'acier étant une tôle en acier selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus, soudée à au moins une des autres pièces de cet objet.
  • L'invention a également pour objet un procédé selon lequel on approvisionne un acier selon l'une quelconque des compositions ci-dessus, et l'on coule l'acier sous forme de demi-produit.
  • Selon un mode particulier, on coule le demi-produit sous forme de brames ou de produits minces entre cylindres contra-rotatifs.
  • A titre préféré, la température de coulée n'excède pas de plus de 40°C la température de liquidus de l'acier.
  • La vitesse de refroidissement lors de la solidification de la coulée est préférentiellement supérieure ou égale à 0,1°C/s.
  • Selon un mode particulier, on effectue un laminage à chaud du demi-produit, optionnellement un laminage à froid et un recuit, les conditions de laminage et de recuit étant ajustées de telle sorte que l'on obtienne une tôle d'acier dont la taille moyenne de grain est inférieure ou égale à 15 micromètres, préférentiellement inférieure ou égale à 5 micromètres:
  • Selon un mode particulier, on découpe au moins un flan à partir d'une tôle d'acier ou d'un objet selon l'un des modes ci-dessus, ou fabriquée selon l'un des modes ci-dessus, et l'on déforme le flan dans une gamme de température allant de 20°à 900°C.
  • L'invention a également pour objet un procédé de fabrication selon lequel on soude au moins une tôle d'acier selon l'un des modes ci-dessus, ou une tôle d'acier fabriquée selon l'un des modes ci-dessus.
  • L'invention a également pour objet l'utilisation d'une tôle d'acier selon l'un des modes ci-dessus, ou fabriquée selon l'un des modes ci-dessus, pour la fabrication de pièces de structure ou d'éléments de renfort dans le domaine automobile.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description ci-dessous, donnée à titre d'exemple non limitatif et en référence aux figures annexées dans lesquelles :
    • Les figures 1 et 2 illustrent respectivement la microstructure de deux aciers selon l'invention comportant une précipitation eutectique Fe-TiB2, à l'état brut de coulée.
    • La figure 3 illustre la microstructure d'un acier selon l'invention à l'état laminé à froid et recuit.
    • Les figures 4 et 5 illustrent la microstructure de deux aciers selon l'invention comportant des précipitations eutectiques Fe-TiB2 et de Fe-Fe2B, respectivement à l'état brut de coulée et laminé à chaud.
    • Les figures 6 et 7 illustrent la microstructure d'un acier selon l'invention, refroidi selon deux vitesses de refroidissement lors de la solidification, à l'état brut de coulée
    • En ce qui concerne la composition chimique de l'acier, la teneur en carbone est adaptée dans le but d'atteindre de façon économique un niveau de limite d'élasticité ou de résistance donné. La teneur en carbone permet également de contrôler la nature de la microstructure de la matrice des aciers selon l'invention, qui peut être partiellement ou totalement ferritique, bainitique, austénitique ou martensitique ou comporter un mélange de ces constituants en proportion adaptées de manière à satisfaire aux propriétés mécaniques requises. Une teneur en carbone supérieure ou égale à 0,010% permet d'obtenir ces différents constituants.
  • La teneur en carbone est limitée en raison de la soudabilité : la résistance à la fissuration à froid et la ténacité en Zone Affectée par la Chaleur décroissent lorsque la teneur en C est supérieure à 0,20%. Lorsque la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,050% en poids, la soudabilité par résistance est particulièrement améliorée.
  • Compte tenu de la teneur en titane de l'acier, la teneur en carbone est limitée préférentiellement afin d'éviter une précipitation primaire de TiC et/ou de Ti(C,N) dans le métal liquide. Ces précipités qui se forment dans le liquide sont néfastes envers la coulabilité dans le procédé de coulée continue de l'acier liquide. Par contre, lorsque cette précipitation intervient dans l'intervalle de solidification ou en phase solide, elle a un effet favorable sur le durcissement structural. La teneur maximale en carbone doit donc être limitée préférentiellement à 0,080% de manière à faire apparaître les précipités de TiC et/ou de Ti(C, N) majoritairement au cours de la solidification eutectique ou en phase solide.
  • En quantité supérieure ou égale à 0,06%, le manganèse augmente la trempabilité, contribue au durcissement en solution solide et donc à l'obtention d'une résistance accrue. II se combine avec le soufre éventuellement présent, réduisant ainsi le risque de fissuration à chaud. Cependant au delà d'une teneur de 3% en poids de manganèse, on accroît le risque de formation d'une structure en bandes néfaste qui proviendrait d'une ségrégation éventuelle du manganèse lors de la solidification.
  • Le silicium contribue efficacement à augmenter la résistance grâce à un durcissement par solution solide. Cependant une addition excessive de silicium provoque la formation d'oxydes adhérents difficilement éliminables lors d'une opération de décapage, et l'apparition éventuelle de défauts de surface dus notamment à un manque de mouillabilité dans les opérations de galvanisation au trempé. Afin de conserver de bonnes propriétés de revêtabilité, la teneur en silicium ne doit pas excéder 1,5% en poids.
  • En quantité supérieure ou égale à 0,005%, l'aluminium est un élément très efficace pour la désoxydation de l'acier. Au delà d'une teneur de 1,5% en poids, une précipitation primaire excessive d'alumine intervient cependant entraînant des problèmes de coulabilité.
  • En quantité supérieure à 0,030%, le soufre tend à précipiter en quantité excessive sous forme de sulfures de manganèse qui réduisent très fortement l'aptitude à la mise en forme à chaud ou à froid.
  • Le phosphore est un élément connu pour ségréger aux joints de grains. Sa teneur ne doit pas excéder 0,040% de façon à maintenir une ductilité à chaud suffisante en évitant la criquabilité et à éviter la fissuration à chaud en soudage.
  • A titre optionnel, on peut ajouter du nickel ou du molybdène qui augmentent la résistance de l'acier. Pour des raisons économiques, on limite ces additions à 1% en poids.
  • A titre optionnel, le chrome peut être ajouté pour augmenter la résistance. Il permet également de faire précipiter des borures en quantité plus importante. Cependant, sa teneur est limitée à 3% en poids pour fabriquer un acier moins coûteux.
  • On choisira préférentiellement une teneur en chrome inférieure ou égale à 0,080%. En effet, une addition excessive de Cr conduit à faire précipiter plus de borures, mais il s'agit alors de borures de (Fe, Cr)
  • Egalement à titre optionnel, le niobium et le vanadium peuvent être ajoutés en quantité inférieure ou égale à 0,1%, de façon à obtenir un durcissement complémentaire sous forme de précipitation de carbonitrures fins.
  • Le titane et le bore jouent un rôle important dans l'invention :
    • Dans un premier mode de réalisation, les teneurs pondérales exprimées en pourcents, en titane et en bore de l'acier sont telles que : 2 , 5 % ≤ Ti ≤ 7 , 2 %
      Figure imgb0001
       0 , 45 × Ti - 0 , 35 % ≤ B ≤ 0 , 45 × Ti + 0 , 70 %
      Figure imgb0002
       La seconde relation s'écrit de façon équivalente - 0 , 35 ≤ B - 0 , 45 × Ti ≤ 0 , 70
      Figure imgb0003
  • Les raisons de ces limitations sont les suivantes :
    • Lorsque la teneur pondérale en titane est inférieure à 2,5%, une précipitation de TiB2 n'intervient pas en quantité suffisante ; en effet, la fraction volumique de TiB2 précipité est inférieure à 5%, ce qui ne permet pas d'obtenir une modification significative du module d'élasticité qui reste inférieur à 220GPa.
    • Lorsque la teneur pondérale en titane est supérieure à 7,2%, une précipitation primaire grossière de TiB2 intervient dans le métal liquide et cause des problèmes de coulabilité des demi-produits.
    • Si les teneurs pondérales en titane et en bore sont telles que :
      B- (0,45 xTi) > 0,70, on assiste à une précipitation excessive de Fe2B qui dégrade la ductilité.
    • Si les teneurs pondérales en titane et en bore sont telles que :
      B- (0,45 xTi)< -0,35, la teneur en titane dissous à température ambiante dans la matrice est supérieure à 0,8%. Aucun effet technique bénéfique significatif n'est alors obtenu en dépit du coût plus élevé d'addition de titane.
    • Selon un second mode de réalisation de l'invention, les teneurs en titane et en bore sont telles que : -0,22 ≤ B - (0,45x Ti) ≤ 0,35
  • Lorsque : B- (0,45 xTi) ≤ 0,35, la précipitation de Fe2B est très réduite, ce qui augmente la ductilité.
    • Lorsque : B- (0,45 xTi) ≥ -0,22, la teneur en titane dissous dans la matrice est très faible, ce qui signifie que les additions de titane sont particulièrement efficaces d'un point de vue économique.
    • Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, les teneurs en titane et en bore sont telles que : -0,35 ≤ B - (0,45x Ti) < - 0,22
  • Lorsque la quantité : B-(0,45xTi) est supérieure ou égale à -0,35 et inférieure à -0,22, la teneur en titane dissous à température ambiante dans la matrice est comprise respectivement entre 0,5% et 0,8%. Cette quantité se révèle particulièrement adaptée pour obtenir une précipitation composée uniquement de TiB2.
    • Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la teneur en titane est telle que : 4,6% ≤ Ti ≤ 6,9%
    Les raisons de ces limitations sont les suivantes :
    • Lorsque la teneur pondérale en titane est supérieure ou égale à 4,6%, une précipitation de TiB2 intervient de telle sorte que la fraction volumique précipitée est supérieure ou égale à 10%. Le module d'élasticité est alors supérieur ou égal à environ 240 GPa.
    • Lorsque la teneur pondérale en titane est inférieure ou égale à 6,9%, la quantité de précipités primaires de TiB2 est inférieure à 3% à volume. La précipitation totale de TiB2, constituée d'éventuels précipités primaires et de précipités eutectiques, est alors inférieure à 15% en volume.
    • Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, la teneur en titane est telle que : 4,6% ≤ Ti ≤ 6% : lorsque la teneur pondérale en titane est inférieure ou égale à 6%, la coulabilité est alors particulièrement satisfaisante en raison de la faible précipitation de TiB2 primaire dans le métal liquide.
  • Selon l'invention, une précipitation eutectique Fe-TiB2 intervient à la solidification. Le caractère eutectique de la précipitation confère à la microstructure formée un caractère particulier de finesse et d'homogénéité avantageux pour les propriétés mécaniques. Lorsque la quantité de précipités eutectiques de TiB2 est supérieure à 5% en volume, le module d'élasticité de l'acier mesuré dans le sens du laminage peut dépasser 220 GPa environ. Au-delà de 10% en volume de précipités de TiB2, le module peut excéder 240 GPa environ ce qui permet de concevoir des structures avec un allègement notable. Cette quantité peut être portée à 15% en volume pour excéder 250 GPa environ, notamment dans le cas d'aciers comportant des éléments d'alliage tels que le chrome ou le molybdène. La présence de ces éléments augmente en effet la quantité maximale de TiB2 qu'il est possible d'obtenir dans le cas d'une précipitation eutectique.
  • Les teneurs en bore et en titane selon l'invention permettent d'éviter une précipitation primaire grossière de TiB2 dans le métal liquide. La formation de ces précipités primaires de taille parfois importante (plusieurs dizaines de micromètres) doit être évitée en raison de leur rôle néfaste vis-à-vis de mécanismes d'endommagement ou de rupture lors de sollicitations mécaniques ultérieures. Par ailleurs ces précipités apparus dans le métal liquide, lorsqu'ils ne décantent pas, sont répartis de façon localisée et réduisent l'homogénéité des propriétés mécaniques. Cette précipitation précoce doit être évitée car elle peut conduire à un bouchage de busettes de la coulée continue de l'acier à la suite de l'agglomération de précipités.
  • Comme on l'a exposé, le titane doit être présent en quantité suffisante pour conduire à la formation endogène de TiB2 sous la forme d'une précipitation eutectique Fe-TiB2. Selon l'invention, le titane peut être également présent dissous à température ambiante dans la matrice en proportion sur-stoechiométrique par rapport au bore, calculé à partir de TiB2.
  • Lorsque la teneur en titane en solution solide est inférieure à 0,5%, la précipitation intervient sous forme de deux eutectiques successifs : Fe-TiB2 en premier lieu, puis Fe-Fe2B, cette seconde précipitation endogène de Fe2B intervient en quantité plus ou moins importante selon la teneur en bore de l'alliage. La quantité précipitée sous forme de Fe2B peut aller jusqu'à 8% en volume. Cette seconde précipitation intervient aussi selon un schéma eutectique permettant d'obtenir une distribution fine et homogène, ce qui assure une bonne homogénéité des caractéristiques mécaniques.
  • La précipitation de Fe2B complète celle de TiB2 dont la quantité maximale est liée à l'eutectique. Le Fe2B a un rôle similaire à celui de TiB2. II augmente le module d'élasticité et diminue la densité. II est ainsi possible d'ajuster les propriétés mécaniques de façon fine en jouant sur le complément de précipitation du Fe2B par rapport à la précipitation de TiB2. C'est un moyen que l'on peut utiliser en particulier pour obtenir un module d'élasticité supérieur à 250 GPa dans l'acier ainsi qu'une augmentation de la résistance mécanique du produit. Lorsque l'acier contient une quantité de Fe2B en volume supérieure ou égale à 4%, le module d'élasticité augmente de plus de 5 GPa. L'allongement à rupture est alors compris entre 14% et 16% et la résistance mécanique atteint 590 MPa. Lorsque la quantité de Fe2B est supérieure à 7,5% en volume, le module d'élasticité est accru de plus de 10 GPa mais l'allongement à rupture est alors inférieur à 9%.
  • Selon l'invention, la taille moyenne des précipités eutectiques de TiB2 ou de Fe2B est inférieure ou égale à 15 micromètres de façon à obtenir des caractéristiques accrues d'allongement à rupture et de bonnes propriétés en fatigue.
  • Lorsque la taille moyenne de ces précipités eutectiques est inférieure ou égale à 10 micromètres, l'allongement à rupture peut être supérieur à 20%.
  • Les inventeurs ont mis en évidence que, lorsque plus de 80% du nombre de précipités eutectiques de TiB2 ont un caractère monocristallin, l'endommagement matrice-précipité lors d'une sollicitation mécanique est réduit et le risque de formation de défauts est moindre en raison de la plus grande plasticité du précipité et de sa grande cohésion avec la matrice. En particulier, on a mis en évidence que les précipités TiB2 de plus grande taille ont une cristallisation hexagonale. Sans vouloir être lié par une théorie, on pense que ce caractère cristallographique confère une possibilité accrue de déformation par maclage de ces précipités sous l'effet d'une sollicitation mécanique.
  • Ce caractère particulier de monocristallinité, lié à la précipitation de TiB2 sous une forme eutectique, ne se rencontre pas à un tel degré pour les procédés de l'art antérieur reposant sur des apports exogènes de particules.
  • Outre l'effet favorable d'une dispersion de particules endogènes sur les propriétés mécaniques de traction, les inventeurs ont mis en évidence que la limitation de la taille de grain était un moyen très efficace pour accroître les caractéristiques mécaniques de traction : Lorsque la taille moyenne de grain est inférieure ou égale à 15 micromètres, la résistance peut excéder 560 MPa environ.
  • La mise en oeuvre du procédé de fabrication d'une tôle selon l'invention est la suivante :
    • On approvisionne un acier de composition selon l'invention
    • On procède à la coulée d'un demi-produit à partir de cet acier. Cette coulée peut être réalisée en lingots ou en continu sous forme de brames d'épaisseur de l'ordre de 200mm. On peut également effectuer la coulée sous forme de brames minces de quelques dizaines de millimètres d'épaisseur ou de bandes minces entre cylindres contra-rotatifs. Le dernier mode est particulièrement avantageux pour obtenir une fine précipitation eutectique et pour éviter la formation de précipités primaires. Une augmentation de la vitesse de refroidissement à la solidification accroît la finesse de la microstructure obtenue.
  • Bien naturellement, la coulée peut être réalisée dans un format permettant la fabrication de produits de diverses géométries, en particulier la fabrication de produits longs.
  • La finesse de la précipitation de TiB2 et de Fe2B augmente la résistance, la ductilité, la résilience, l'aptitude au formage et le comportement mécanique en Zone Affectée par la Chaleur. On accroît la finesse de la précipitation grâce à une faible température de coulée et une vitesse de refroidissement plus importante. En particulier, on a découvert qu'une température de coulée limitée à 40°C au delà de la température de liquidus, conduisait à l'obtention de telles microstructures fines.
  • Les conditions de coulée seront également choisies de telle sorte que la vitesse de refroidissement au moment de la solidification soit supérieure ou égale à 0,1 °C/s de façon à ce que la taille des précipités de TiB2 et de Fe2B soit particulièrement fine.
  • On effectue ensuite un laminage à chaud du demi-produit, éventuellement suivi d'un bobinage. Optionnellement, on effectue un laminage à froid et un recuit pour obtenir des tôles d'épaisseur moins importante. On choisit les conditions de laminage à chaud, de bobinage, de laminage à froid, de recuit de telle sorte que l'on obtienne une tôle d'acier dont la taille moyenne de grain est inférieure ou égale à 15 micromètres, préférentiellement inférieure à 5 micromètres. Une taille de grain plus fine est obtenue par :
    • un écrouissage important avant la fin du laminage à chaud et avant la transformation allotropique (γ-a) se produisant au refroidissement
    • un refroidissement accéléré après la transformation ((γ-α) de façon à limiter la croissance du grain ferritique
    • un bobinage à température relativement basse
    • après un éventuel laminage à froid, une limitation de la température de recuit et du temps de recuit aux fins d'obtenir une recristallisation complète, sans dépassement de la température et du temps au delà des valeurs qui sont nécessaires à cette recristallisation
  • La tôle d'acier ainsi obtenue présente ainsi une très bonne aptitude à la mise en forme : sans vouloir être lié par une théorie, on pense que les précipités eutectiques présents au sein d'une matrice très déformables jouent un rôle similaire à celui que jouent les phases martensitiques ou bainitiques au sein de la ferrite dans les aciers de type « Dual-Phase ». Les aciers selon l'invention présentent un rapport (limite d'élasticité Re/résistance Rm) favorables à des opérations diverses de mise en forme.
  • Dans le cas où l'on souhaite réaliser une pièce comportant une opération de mise en forme, on découpe un flan à partir de la tôle et on effectue une déformation par des moyens tels que l'emboutissage, le pliage dans une gamme de température comprise entre 20 et 900°C. On observe une très bonne stabilité thermique des phases durcissantes TiB2 et Fe2B jusqu'à 1100°C.
  • Compte tenu de la stabilité thermique des particules dispersées dans la matrice et de la bonne aptitude aux différents procédés de formage à froid, à tiède ou à chaud, des pièces de géométrie complexe avec un module d'élasticité accru peuvent être réalisées selon l'invention. En outre, l'augmentation du module d'élasticité des aciers selon l'invention diminue le retour élastique après les opérations de mise en forme et permet d'accroître ainsi la précision dimensionnelle sur pièces finies.
  • On fabrique aussi d'une manière avantageuse des éléments structuraux en soudant des aciers selon l'invention, de composition ou d'épaisseur identiques ou différentes. Dans la zone fondue, compte tenu de la température élevée atteinte, on assiste à une dissolution partielle des précipités ainsi qu'à leur reprécipitation au refroidissement. La quantité de précipités dans la zone fondue est très comparable à celle du métal de base. Au sein de la Zone Affectée par la Chaleur (ZAC) des joints soudés, les précipités eutectiques ne sont pas dissous et peuvent même servir de frein à la croissance du grain austénitique et de sites de germination éventuels lors de la phase de refroidissement ultérieure.
  • Lors d'une mise en oeuvre par soudage des aciers selon l'invention, on obtient donc une homogénéité de la quantité de précipités de TiB2 et de Fe2B, qui va depuis le métal de base jusqu'au métal fondu en passant par la ZAC, ce qui garantit que les propriétés mécaniques visées (module, densité) seront elles aussi assurées de façon continue dans le cas de liaisons soudées.
  • A titre d'exemple non limitatif, les résultats suivants vont montrer les caractéristiques avantageuses conférées par l'invention.
    • Exemple 1:
  • On a élaboré des aciers dont la composition figure au tableau 1 ci-dessous, exprimée en pourcentage pondéral.
  • Outre les aciers I-1 et I-2 selon l'invention, on a indiqué à titre de comparaison la composition d'un acier de référence R1 ne contenant pas de précipités eutectiques endogènes de TiB2 ou Fe2B
  • Ces aciers ont été élaborés par coulée de demi-produits à partir de l'état liquide, les additions de titane et de bore étant effectuées pour les aciers I-1 et I-2 sous forme de ferro-alliages. La température de coulée est de 1330°C, soit un excès de 40°C par rapport à la température de liquidus. Tableau 1 : Compositions d'aciers (% poids). I = Selon l'invention. R = référence. (*) : Non conforme à l'invention
    Acier C S P Al Mn Si Ti B B- (0,45 xTi)
    I-1 0,0334 0,0004 0,007 0,263 0,069 0,084 4,50 1,68 -0,34
    I-2 0,04 0,0015 0,009 0,146 0,09 0,14 5,90 2,34 -0,31
    R-1 0,0023 0,008 0,011 0,031 0,129 0,038 0,054(*) - (*) 0
  • La microstructure à l'état brut de coulée, illustrée aux figures 1 et 2, relatives respectivement aux aciers I-1 et I-2, montre une dispersion fine et homogène de précipités endogènes de TiB2 au sein d'une matrice ferritique. Le bore précipite sous forme d'un eutectique binaire Fe-TiB2.
  • Les quantités volumiques de précipités ont été mesurées au moyen d'un analyseur d'images et sont respectivement de 9% et 12,4% pour les aciers I-1 et 1-2. La quantité de TiB2 sous forme de précipités primaires est inférieure à 2% en volume et favorise une bonne coulabilité. Les tailles moyennes des précipités eutectiques de TiB2 sont respectivement de 5 et 8 micromètres pour les aciers I-1 et I-2. Parmi la population de ces précipités, plus de 80% en nombre ont un caractère monocristallin.
  • Après réchauffage à 1150°C, les demi-produits ont été ensuite laminés a chaud sous forme de tôles jusqu'à une épaisseur de 3,5 mm, la température de fin de laminage étant de 940°C. Le laminage à chaud a été suivi d'un bobinage à 700°C.
  • Ces tôles laminées à chaud ont été ensuite décapées selon un procédé connu en soi puis laminées à froid jusqu'à une épaisseur de 1 mm. On a ensuite effectué un recuit de recristallisation à 800°C - 1 minute de maintien, suivi d'un refroidissement à l'air.
  • Les observations effectuées par Microscopie Electronique à Balayage ne révèlent aucune décohésion à l'interface précipités eutectiques/matrice ou aucun endommagement des précipités eux-mêmes à la suite du laminage à chaud ou du laminage à froid.
  • Après laminage à chaud, la taille moyenne de grain de l'acier I-1 est de 12 micromètres alors qu'elle est de 28 micromètres pour l'acier de référence.
  • Après laminage à froid et recuit, la structure des aciers I-1 et I-2 est recristallisée, comme l'indique la figure 3 relative à l'acier I-1. La photo a été réalisée au Microscope Electronique à Balayage en contraste cristallin, ce qui atteste du caractère totalement recristallisé de la structure. Les précipités sont très majoritairement des précipités eutectiques. Par rapport à l'acier conventionnel R-1, les précipités de TiB2 provoquent un affinement important de la microstructure : La taille moyenne de grain est de 3,5 micromètres pour l'acier 1-1 selon l'invention alors qu'elle est égale à 15 micromètres pour l'acier de référence R-1.
  • Des mesures par pycnométrie indiquent que la présence des précipités de TiB2 et de Fe2B est associée à une réduction significative de la densité d puisque celle-ci passe de 7,80 (acier conventionnel R-1) à 7,33 (acier I-2)
  • Les modules d'élasticité des aciers I-1 et I-2 mesurés dans le sens du laminage sont respectivement de 230 GPa et 240 GPa. Le module d'élasticité de l'acier de référence R-1 est de 210 GPa. Pour des tôles sollicitées en flexion dont l'indice de performance varie comme E1/3/d, l'utilisation des aciers selon l'invention permet une réduction de poids supérieure à 10% par rapport aux aciers conventionnels.
  • Les propriétés mécaniques de traction mesurées (limite d'élasticité conventionnelle Re mesurée à 0,2% de déformation, résistance Rm, allongement uniforme Au, allongement à rupture At) ont été portées au tableau 2 (tôles laminées à chaud) ou 3 (tôles laminées à froid et recuites) ci-dessous. Tableau 2 : Caractéristiques mécaniques de traction des tôles laminées à chaud. (sens parallèle au laminage)
    Acier Re (MPa) Rm (MPa) Au (%) At (%)
    1-1 300 558 15 22
    1-2 244 527 14 20
    Tableau 3 : Caractéristiques mécaniques de traction des tôles laminées à froid et recuites. (sens parallèle au laminage)
    Acier Re (MPa) Rm (MPa) Au (%) At (%)
    1-1 311 565 16 21
    R-1 200 300 42 48
  • Le rapport Re/Rm des tôles laminées à chaud ou à froid selon l'invention est voisin de 0,5, traduisant un comportement mécanique se rapprochant de celui d'un acier Dual-Phase et une bonne aptitude à une mise en forme ultérieure.
  • Des essais de soudage par résistance par points ont été effectués sur des tôles laminées à froid de l'acier I-1: la rupture lors d'essais de traction-cisaillement se produit systématiquement par déboutonnage. On sait qu'il s'agit là d'un mode de rupture préféré car associé à une énergie élevée.
  • On relève également au sein des zones fondues en soudage la présence de précipités eutectiques selon l'invention, ce qui contribue à une homogénéité des propriétés mécaniques dans les assemblages soudés
  • Des propriétés satisfaisantes sont également obtenues en soudage LASER et à l'arc.
    • Exemple 2 :
  • Le tableau 4 ci-dessous présente la composition de trois aciers selon l'invention. Tableau 4 Compositions d'aciers selon l'invention (% poids)
    Acier C Mn Al Si S P Ti B B- (0,45 xTi)
    I-3 0,0465 0,082 0,15 0,17 0,0014 0,008 5,5 2,8 0,32
    I-4 0,0121 0,086 0,113 1,12 0,002 0,004 5,37 2,86 0,44
    I-5 0,0154 0,084 0,1 0,885 0,0019 0,004 5,5 3,16 0,68
  • Les aciers ont été élaborés par coulée de demi-produits, les additions de titane et de bore étant effectuées sous forme de ferro-alliages. La température de coulée est de 40°C au dessus de la température de liquidus. En comparaison des aciers I-1 et I-2, les aciers I-3 à I-5 présentent un excès de bore par rapport à la stoechiométrie de TiB2 de telle sorte que des co-précipitations eutectiques de TiB2 puis de Fe2B se produisent. Les quantités volumiques de précipités eutectiques ont été portées au tableau 5. Tableau 5 : Teneurs en précipités (% volume) relatives aux aciers I-3-4-5
    Acier % volumique TiB2 % volumique Fe2B
    I-3 13 3,7
    I-4 12,8 5,1
    I-5 13 7,9
  • Les précipités eutectiques ont une taille moyenne inférieure à 10 micromètres. La figure 4 illustre, dans le cas de l'acier I-3, la coexistence de précipités de TiB2 et de Fe2B. Les précipités de Fe2B apparaissant en gris-clair et les précipités de TiB2 plus sombres sont dispersés au sein de la matrice ferritique.
  • Les demi-produits ont été laminés à chaud dans des conditions identiques à celles exposées dans l'exemple 1. On n'observe pas, là encore, d'endommagement à l'interface précipités-matrice. La figure 5 illustre la microstructure de l'acier I-5. Des caractéristiques de ces aciers laminés à chaud ont été portées au tableau 6. Tableau 6 : Caractéristiques mécaniques de traction des tôles laminées à chaud (sens parallèle au laminage) et densité.
    Acier E (GPa) Re (MPa) Rm (MPa) Au (%) At (%) d
    I-3 245 279 511 10 14 7,32
    I-4 250 284 590 11 14 7,32
    I-5 254 333 585 8 9 7,30
  • Par rapport aux aciers I-1 et I-2, une précipitation eutectique complémentaire de Fe2B en quantité volumique allant de 3 à 7,9% augmente le module d'élasticité de 5 à 15 GPa.
  • La précipitation complémentaire de Fe2B augmente la résistance mécanique, Lorsque cette précipitation intervient dans des proportions excessives, l'allongement uniforme peut cependant être nettement inférieur à 8%.
    • Exemple 3 :
  • Des demi-produits d'acier de composition I-2 ont été coulés à une température de 1330°C. En faisant varier l'intensité du débit de refroidissement de ces demi-produits, et l'épaisseur des demi-produits coulés, deux vitesses de refroidissement ont été réalisées, soit 0,8 et 12°C/s. Les microstructures présentées aux figures 6 et 7 illustrent qu'une vitesse de refroidissement accrue permet d'affiner très significativement la précipitation eutectique Fe-TiB2.
    • Exemple 4 :
  • Des tôles d'acier de composition 1-2 de 2,5mm d'épaisseur ont été soudées par LASER CO2 dans les conditions suivantes : Puissance : 5,5kW, vitesse de soudage : 3m/mn. Des observations micrographiques dans la zone fondue montrent qu'une précipitation eutectique Fe-TiB2 intervient sous une forme très fine lors du refroidissement à partir de l'état liquide. La quantité de précipités dans la zone fondue est voisine de celle du métal de base. Selon les conditions locales de refroidissement au moment de la solidification (gradient local G de température, vitesse de déplacement R des isothermes), la solidification intervient sous forme dendritique ou sous forme cellulaire. La morphologie dendritique se rencontre plus volontiers à la liaison avec la Zone Affectée par la Chaleur, compte tenu des conditions locales de solidification (gradient G important, vitesse R faible).
  • Les précipités de TiB2 sont donc présents dans les différentes zones de la liaison (métal de base, ZAC, zone fondue), ainsi l'augmentation du module d'élasticité et la réduction de la densité sont réalisées dans l'ensemble de l'assemblage soudé.
  • Une tôle d'acier 1-2 a également été soudée par LASER sans difficulté opératoire avec une tôle d'acier doux emboutissable dont la composition contient (% en poids) : 0,003%C, 0,098%Mn, 0,005%Si, 0,059%Al, 0,051 %Ti, 0,0003%B, ainsi que des impuretés inévitables résultant de l'élaboration. La zone fondue comporte encore une précipitation eutectique Fe-TiB2, en proportion naturellement moins importante que dans le cas d'un soudage autogène. De la sorte, il est possible de fabriquer des structures métalliques dont les propriétés de rigidité varient localement et dont les caractéristiques mécaniques correspondent plus spécifiquement aux exigences locales de mise en oeuvre ou de tenue en service
  • L'invention permet ainsi la fabrication de pièces de structure ou d'éléments de renfort avec un niveau de performance accru, tant sur le plan de l'allègement intrinsèque que de l'augmentation du module d'élasticité. La mise en oeuvre aisée par soudage des tôles d'aciers selon l'invention rend leur incorporation possible au sein de structures plus complexes en particulier au moyen de liaisons avec des pièces d'aciers de composition ou d'épaisseur différentes. On tirera tout particulièrement profit de ces différentes caractéristiques dans le domaine automobile.

Claims (27)

  1. Tôle d'acier dont la composition chimique comprend, les teneurs étant exprimées en poids : 0 , 010 % ≤ C ≤ 0 , 20 %
    Figure imgb0004
     0 , 06 % ≤ Mn ≤ 3 %
    Figure imgb0005
     Si ≤ 1 , 5 %
    Figure imgb0006
     0 , 005 % ≤ Al ≤ 1 , 5 %
    Figure imgb0007
     S ≤ 0 , 030 %
    Figure imgb0008
     P ≤ 0 , 040 % ,
    Figure imgb0009
     du titane et du bore en quantités telles que 2 , 5 % ≤ Ti ≤ 7 , 2 %
    Figure imgb0010
     0 , 45 × Ti - 0 , 35 % ≤ B ≤ 0 , 45 × Ti + 0 , 70 %
    Figure imgb0011
     optionnellement un ou plusieurs éléments choisis parmi : Ni ≤ 1 %
    Figure imgb0012
     Mo ≤ 1 %
    Figure imgb0013
     Cr ≤ 3 %
    Figure imgb0014
     Nb ≤ 0 , 1 %
    Figure imgb0015
     V ≤ 0 , 1 % ,
    Figure imgb0016
     le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration
  2. Tôle d'acier selon la revendication 1, caractérisée en ce que les teneurs en titane et en bore sont telles que : - 0 , 22 ≤ B - 0 , 45 × Ti ≤ 0 , 35
    Figure imgb0017
  3. Tôle d'acier selon la revendication 1, caractérisée en ce que les teneurs en titane et en bore sont telles que : - 0 , 35 ≤ B - 0 , 45 × Ti < - 0 , 22
    Figure imgb0018
  4. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la teneur en titane est telle que : 4 , 6 % ≤ Ti ≤ 6 , 9 %
    Figure imgb0019
  5. Tôle d'acier selon la revendication 4 caractérisée en ce que la teneur en titane est telle que : 4 , 6 % ≤ Ti ≤ 6 %
    Figure imgb0020
  6. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que sa composition comprend, la teneur étant exprimée en poids : C ≤ 0 , 080 %
    Figure imgb0021
  7. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que sa composition comprend, la teneur étant exprimée en poids : C ≤ 0 , 050 %
    Figure imgb0022
  8. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que sa composition comprend, la teneur étant exprimée en poids : Cr ≤ 0 , 08 %
    Figure imgb0023
  9. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que qu'elle comprend des précipités eutectiques de TiB2 et éventuellement de Fe2B, dont la taille moyenne est inférieure ou égale à 15 micromètres
  10. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des précipités eutectiques de TiB2 et éventuellement de Fe2B, dont la taille moyenne est inférieure ou égale à 10 micromètres
  11. Tôle d'acier selon la revendication 10, caractérisée en ce que plus de 80% en nombre desdits précipités de TiB2 ont un caractère monocristallin
  12. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la taille moyenne de grain dudit acier est inférieure ou égale à 15 micromètres
  13. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la taille moyenne de grain dudit acier est inférieure ou égale à 5 micromètres
  14. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que son module d'élasticité mesuré dans le sens du laminage est supérieur ou égal à 230GPa
  15. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que son module d'élasticité mesuré dans le sens du laminage est supérieur ou égal à 240GPa
  16. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que son module d'élasticité mesuré dans le sens du laminage est supérieur ou égal à 250GPa
  17. Tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que sa résistance est supérieure ou égale à 500MPa et son allongement uniforme est supérieur ou égal à 8%
  18. Objet fabriqué à partir d'une pluralité de pièces d'acier, de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, caractérisé en ce qu'au moins une desdites pièces d'acier est une tôle en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, soudée à au moins une des autres dites pièces d'acier
  19. Procédé de fabrication selon lequel on approvisionne un acier selon l'une quelconque des compositions 1 à 8, et l'on coule ledit acier sous forme de demi-produit
  20. Procédé de fabrication selon la revendication 19 caractérisé en ce qu'on coule le demi-produit sous forme de brames ou de produits minces entre cylindres contra-rotatifs.
  21. Procédé de fabrication selon la revendication 19 ou 20, caractérisé en ce que la température de coulée n'excède pas de plus de 40°C la température de liquidus dudit acier
  22. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement lors de la solidification de ladite coulée est supérieure ou égale à 0,1°C/s.
  23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 22, caractérisé en ce qu'on effectue un laminage à chaud dudit demi-produit, optionnellement un laminage à froid et un recuit, les conditions de laminage et de recuit étant ajustées de telle sorte que l'on obtienne une tôle d'acier dont la taille moyenne de grain est inférieure ou égale à 15 micromètres
  24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 23, caractérisé en ce qu'on effectue un laminage à chaud dudit demi-produit, optionnellement un laminage à froid et un recuit, les conditions de laminage et de recuit étant ajustées de telle sorte que l'on obtienne une tôle d'acier dont la taille moyenne de grain est inférieure ou égale à 5 micromètres
  25. Procédé de fabrication de pièces structurales, caractérisé en ce que l'on découpe au moins un flan à partir d'une tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, ou d'un objet selon la revendication 18, ou fabriquée selon l'une quelconque des revendications 19 à 24, et qu'on déforme ledit au moins un flan dans une gamme de température allant de 20°à 900°C
  26. Procédé de fabrication de pièces structurales, caractérisé en ce que l'on soude au moins une tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 ou fabriquée selon l'une quelconque des revendications 19 à 24
  27. Utilisation d'une tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, ou d'un objet selon la revendication 18, ou fabriquée par un procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 26, pour la fabrication de pièces de structure ou d'éléments de renfort dans le domaine automobile.
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