FR2860805A1 - Element en acier hautement resistant avec couche de protection contre la corrosion a base de zinc - Google Patents

Element en acier hautement resistant avec couche de protection contre la corrosion a base de zinc Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un élément de structure et / ou de sécurité formé à chaud et trempé à la presse pour véhicule automobile fabriqué à partir d'acier hautement résistant avec une couche de protection contre la corrosion à base de zinc. La couche de protection consiste en un alliage de fer/zinc produit par un procédé de diffusion de matière solide, et dont l'épaisseur de couche est inférieure à 10 m. On utilise ici le procédé de shérardisation en soi connu, mais dans une forme modifiée pour des pièces trempée pour véhicule automobile, sensibles à l'apport de chaleur afin d'obtenir une excellente protection contre la corrosion.

Description

DESCRIPTION
La présente invention concerne un élément de structure et I ou de sécurité formé à 5 chaud et trempé à la presse pour véhicule automobile fabriqué à partir d'acier hautement résistant avec une couche de protection contre la corrosion à base de zinc.
Dans la construction automobile, on utilise de plus en plus d'éléments de véhicule à base d'acier résistant et hautement résistant afin de satisfaire les critères de construction allégée répondant aux exigences croissantes relatives aux propriétés caractéristiques des matières. Ceci vaut également pour la construction de la carrosserie pour laquelle par exemple des pièces de structure et / ou de sécurité telles que les renforts de porte, les montants A et B, les pare-chocs ou les longerons et traverses sont de plus en plus souvent fabriqués en acier résistant ou hautement résistant formé à chaud et trempé sous pression pour atteindre les objectifs de poids et les exigences en matière de sécurité. Le document DE 24 52 486 C2 présente un procédé de formage à la presse et de trempage d'une tôle en acier présentant une faible épaisseur de matière et une bonne stabilité dimensionnelle, dans lequel une tôle à base d'acier allié au bore est chauffée à une température supérieure à l'Ac3 puis, en moins de 5 secondes, comprimée, en modifiant sensiblement sa forme, jusqu'à prendre sa forme définitive entre deux outils refroidis de manière indirecte et soumise, tout en restant dans la presse, à un refroidissement rapide de manière à obtenir une structure martensitique et I ou bainitique. Ces mesures permettent d'obtenir un produit présentant une forme très précise, une stabilité dimensionnelle élevée et de bonnes propriétés de résistance qui convient remarquablement aux pièces de structure et de sécurité de la construction automobile.
Le problème de la protection contre la corrosion des pièces de structure et de sécurité formées à chaud et trempées sous pression se pose toutefois. Le document DE 101 58 622 Al présente par exemple comment appliquer une couche très adhérente à base de matière amorphe sur une pièce en acier. Les procédés de revêtement courants sont les procédés par immersion dans un bain en fusion, notamment la galvanisation à chaud, l'électrodéposition à partir de solutions ou la pulvérisation thermique. Les procédés dits de Cold Gas Coating font également partie de l'état de la technique. Tous ces procédés présentent différents inconvénients.
Dans l'immersion à chaud, l'apport de chaleur relativement élevé du bain de trempage s chaud à la pièce de structure ou de sécurité trempée réduit significativement la résistance des matériaux obtenue lors du trempage. L'épaisseur de la couche est limitée vers le bas et peut être très difficile voire impossible à souder. Le procédé d'immersion à chaud est donc en principe exclu pour les pièces de structure et de sécurité formées à chaud et trempées.
o Un procédé couramment utilisé est la projection de zinc au pistolet sur des éléments formés à chaud et trempés, connu sous le nom de procédé Deltatone. L'adhérence de la couche pulvérisée est toutefois limitée. Le revêtement des contre-dépouilles des composants est en outre compliqué. Le revêtement de la face intérieure d'un tube est par exemple à peine possible. La protection contre la corrosion n'est donc pas suffisante. Les revêtements de zinc au pistolet peuvent en outre être difficiles à souder.
Les couches thermiques pulvérisées ont une mauvaise adhérence et peuvent être difficiles à souder. Dans le cas de la galvanisation électrolytique, il y a un risque de fragilisation dû à l'hydrogène pour les résistances supérieures à 1 000 MPa. Or les résistances supérieures à 1 000 MPa sont rapidement dépassées pour les éléments de structure formés à chaud et trempés à base d'acier résistant et hautement résistant. La galvanisation électrolytique ou le Cold Gas Coating sont en outre trop compliqués et trop coûteux pour la production de masse.
Le document EP 1 013 785 Al décrit un procédé dans lequel un ruban d'acier est pourvu d'un dépôt d'aluminium par immersion dans un bain en fusion puis une platine est prélevée dans ce ruban revêtu, laquelle est chauffée et formée à chaud, la couche par immersion à chaud formant avec l'acier une phase intermétallique, ce qui permet au revêtement de résister au formage à chaud et au trempage consécutif sans fondre. Mais toutes les d'arêtes de coupe de la platine ou de l'élément fini restent d'une part sans revêtement. D'autre part, le ruban revêtu ne peut être façonné à froid sans endommager le revêtement. La protection contre la corrosion offerte par le matériau de ruban revêtu est donc insuffisante.
L'objectif de l'invention est donc de mettre à disposition un élément de structure et I ou de sécurité formé à chaud et trempé en acier résistant ou hautement résistant qui soit pourvu d'une couche de protection contre la corrosion ininterrompue, qui n'influe pas ou n'influe pas de manière sensible sur les propriétés de résistance de l'élément, qui adhère bien, qui puisse être soudé et qui satisfasse les exigences de protection contre la corrosion, et ce également dans la zone des contre-dépouilles.
Cet objectif est atteint conformément à l'invention du fait que la couche de protection consiste en un alliage de ferlzinc produit par un procédé de diffusion de matière solide, avec une épaisseur de couche inférieure à 10 pm.
Le point de départ de cette solution est le procédé de shérardisation de produits en vrac tels que des vis et des boulons, procédé connu en soi. Le procédé de shérardisation est décrit dans le projet de norme DIN EN 13 811 Dépôts métalliques de zinc par diffusion sur les outils en fer . Le procédé de shérardisation y est décrit comme étant un procédé de diffusion d'oxygène dans lequel les éléments sont chauffés en contact étroit avec de la poussière de zinc et une matière inerte, par exemple du sable. Ces traitements permettent la formation d'un dépôt métallique shérardisé sur les éléments, ledit dépôt métallique consistant en un alliage de ferlzinc. Selon le projet de norme DIN 13 811, les matériaux de base appropriés sont entre autres les aciers au carbone non alliés ou les aciers faiblement alliés. Le procédé est généralement mis en oeuvre dans un caisson fermé tournant lentement, à des températures allant de 320 C à 500 C. Les dépôts métalliques déposés par shérardisation servent à protéger les outils en fer contre la corrosion et l'usure. Le projet de norme stipule une épaisseur de couche minimale de 15 pm. Le dépôt métallique peut ensuite être phosphaté ou chromé, permettant ainsi d'obtenir une surface propre, passivée. Le dépôt métallique suit très précisément les contours des matériaux de base et permet de produire des dépôts métalliques réguliers sur les éléments, même si ceux-ci présentent une forme irrégulière. Parce qu'il se compose entièrement d'un alliage de ferlzinc, le dépôt métallique shérardisé présente une grande dureté superficielle et donc une résistance à l'usure élevée, la dureté du dépôt métallique permettant qu'au contact normal d'autres éléments, l'élément ne se raye que de manière superficielle et sans effet négatif sur la résistance à la corrosion. Le procédé de shérardisation se caractérise en outre par une capacité d'adhérence suffisante de la couche au matériau de base.
Les bonnes propriétés d'adhérence et de protection contre la corrosion de la couche, qui s'ajuste en grande mesure au contour de l'élément, rendent le dépôt métallique shérardisé intéressant également pour les éléments de structure et de sécurité formés à chaud et trempés présents dans les véhicules. L'épaisseur minimale de couche de 15 pm prescrite dans le procédé de shérardisation est toutefois inadaptée aux pièces de structure o et / ou de sécurité revendiquées. Les épaisseurs de couche supérieures à 10 pm ne sont en effet pratiquement pas soudables. C'est pourquoi les épaisseurs de couche selon l'invention doivent être < 10 pm. De préférence, la couche appliquée ne va pas, contrairement au procédé de shérardisation courant, être passivée afin de rester conductrice. Les épaisseurs limitées de couche et l'absence de passivation permettent un soudage par points particulièrement efficace de l'élément revêtu. D'autres procédés de soudage tels que les procédés de soudage MIG ou MAG sont également faciles à mettre en oeuvre. L'élément revêtu est ensuite peint si besoin.
Jusqu'à présent, on a shérardisé les produits en vrac en les faisant tourner dans le caisson précédemment évoqué, par exemple un tambour. Les pièces de structure et de sécurité revendiquées ici sont cependant de taille nettement plus importante et elles ne doivent pas être traitées en vrac mais être maintenues en place, sans quoi la stabilité des dimensions de chaque élément ne peut être garantie dans le cadre des tolérances réduites. Ces pièces de sécurité et de structure doivent donc être fixées dans une chambre de traitement thermique. Le maintien en place peut être réalisée en disposant les éléments dans le tambour tournant au moyen d'un support de sorte qu'ils ne puissent pas s'entrechoquer ou percuter les parois du tambour. Une autre solution consiste également à placer les éléments dans une chambre de traitement thermique verticale, la poudre de zinc étant continuellement répartie à l'intérieur de la chambre par l'intermédiaire de buses pendant le chauffage de manière à ce que l'élément soit revêtu de tous les côtés. Dans les deux cas, le revêtement des contre-dépouilles d'accès difficile, telles que par exemple une paroi intérieure de tube, est également possible.
L'apport de chaleur dans l'élément de structure et / ou de sécurité formé à chaud et trempé sous pression pendant le procédé de diffusion d'oxygène doit simultanément être maintenu le plus bas possible afin de ne pas influer sensiblement sur les propriétés de résistance de l'acier trempé. C'est pourquoi on travaille conformément à l'invention à des températures inférieures à 320 C. Le procédé est particulièrement bien adapté pour un matériau de base fabriqué à partir d'un type d'acier composé en pourcentage en poids de carbone (C) silicium (Si) manganèse (Mn) phosphore (P) chrome (Cr) molybdène (Mo) soufre (S) titane (Ti) bore (B) aluminium (AI) 0,18 % à 0,3 % 0,1 % à 0,7 % 1,0 % à 2,5 % 0,025 % maximum jusqu'à 0,8 % jusqu'à 0,5 % 0,01 % maximum 0,02 % à 0,05 % 0,0015 % à 0,005 %, de préférence 0,002 % à 0,005 % 0,01 % à 0,06 % le reste étant du fer comprenant les impuretés de la fusion. On obtient pour cet acier, après formage à chaud et trempage, une limite d'élasticité RP02> 950 MPa, une résistance à la traction Rn, > 1 350 MPa et une dilatation A5 > 8 %. La structure de ce type d'acier commence à se transforme dès 320 C. Les températures de shérardisation d'environ 400 C généralement utilisées pour les produits en vrac sont donc trop élevées pour garantir le maintien des propriétés de résistance prévues. A températures réduites, on obtient toutefois une bonne couche de protection contre la corrosion qui n'influe pas sensiblement sur les propriétés de résistance.
Un type d'acier ayant en pourcentage en poids de carbone (C) 0,13 % maximum, de préférence 0,09 % à 0,13 % silicium (Si) 0,15 à 0,30 % manganèse (Mn) 1,10 à 1,60 % phosphore (P) 0,015 % maximum soufre (S) 0, 011 % maximum chrome (Cr) 1,00 à 1,60 % molybdène (Mo) 0,30 à 0,60 fo aluminium (AI) 0,02 à 0,05 % vanadium (V) 0,12 à 0,25 % le reste étant du fer et des impuretés provenant de la fusion, est également bien adapté, avec une résistance à la traction Rm > 950 MPa, une limite d'élasticité RP0,2 > 700 MPa et une dilatation A5 > 14 % à l'état trempé à l'air. Ce type d'acier peut en effet également tremper à l'air. Les propriétés de résistance prédéterminées doivent toutefois ici aussi rester autant que possible inchangées. Dans le cas de l'élément selon l'invention, les propriétés caractéristiques des matériaux ne sont que légèrement modifiées voire pas du tout après le revêtement appliqué après le trempage. Ce procédé de revêtement ne comporte en outre aucun risque de fragilisation dû à l'hydrogène.
Dans l'ensemble, l'élément de structure et I ou de sécurité conforme à l'invention dispose d'une précision de forme élevée, de bonnes propriétés de matériaux telles qu'une résistance et une tenacité élevées, d'une excellente protection contre la corrosion par l'intermédiaire d'une très bonne adhérence de la couche diffusée, d'une résistance à l'usure et d'une dureté élevées, tant du matériau de base que de la couche, d'un revêtement englobant également les contre-dépouilles et les espaces creux ainsi que d'une protection contre la corrosion agissant également au niveau des arêtes de coupe. L'élément de structure et I ou de sécurité selon l'invention peut également facilement être travaillé ultérieurement parce qu'il est facile à souder et à peindre.
L'invention est représentée par une seule figure. La figure montre un montant B (1) ayant une géométrie complexe. Ce montant B (1) sert de pièce de structure et de sécurité entre la porte avant d'un véhicule automobile et l'habitacle arrière. Le montant B (1) doit garantir la stabilité de l'habitacle en cas de choc latéral et donc absorber des forces considérables. Il est donc fabriqué à partir d'un acier pouvant être trempé. Pour atteindre la précision de forme et les propriétés souhaitées, il est formé à chaud et au moins trempé en partie. Sa géométrie complexe ne permet cependant pas de le former en une seule étape à partir d'une platine de départ. Il est au contraire préformé à froid en plusieurs étapes et chauffé seulement à la dernière étape au- delà de la température de l'AC3-, disposé encore chaud dans un outil de formage à chaud et de trempage dans lequel il prend sa forme définitive puis est trempé dans l'instrument dans le respect des tolérances restreintes. Un matériau de départ déjà revêtu sous forme de bande se déchirerait durant le façonnage à froid et ne peut donc pas être utilisé pour ce montant B (1). Les autres procédés de revêtement connus possibles ne s'avèrent pas suffisamment efficaces dans la protection contre la corrosion pour les raisons déjà mentionnées. L'alliage de fer/zinc diffusé conforme s à l'invention assure en revanche une excellente protection contre la corrosion. Il peut être appliqué même après trempage en raison de l'apport de température limité et suit avec précision la forme complexe du montant B (1). Ce montant B (1) doit toutefois être façonné comme un élément fixe. C'est justement en raison de sa taille qu'il ne peut être traité comme les produits en vrac. Le procédé de shérardisation, connu en soi, peut toutefois être o aisément mis en oeuvre avec les adaptations correspondantes pour le revêtement du montant B (1) et il permet d'obtenir les propriétés voulues de protection contre la corrosion, de façon simple et économique, tout en évitant les inconvénients connus jusqu'ici.

Claims (4)

Revendications
1. Elément de structure et / ou de sécurité formé à chaud et trempé à la presse pour véhicule automobile fabriqué à partir d'acier hautement résistant avec une couche de protection contre la corrosion à base de zinc, caractérisé en ce que la couche de protection consiste en un alliage de fer/zinc produit par un procédé de diffusion de matière solide, et que l'épaisseur de la couche est inférieure à 10 pm.
2. Elément de structure et I ou de sécurité selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de protection contre la corrosion n'est pas passivée.
3. Elément de structure et I ou de sécurité selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de protection contre la corrosion peut être 15 peinte.
0,18 % à 0,3 % 0,1 % à 0,7 % 1,0 % à 2,5 % 0,025 % maximum jusqu'à 0,8 % jusqu'à 0,5 0/0 0,01 % maximum 0,02 % à 0,05 % 0,0015 % à 0,005 %, de préférence 0,002 % à 0,005 0,01 % à 0,06 % le reste étant du fer comprenant les impuretés de la fusion 5. Elément de structure et I ou de sécurité selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'acier hautement résistant se compos en pourcentage en poids de carbone (C) 0,13 % maximum, de préférence 0,09 % à 0,13 % silicium (Si) 0,15 à 0,30 % 4. Elément de structure et / ou de sécurité selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'acier hautement résistant se compos en pourcentage en poids de carbone (C) silicium (Si) manganèse (Mn) phosphore (P) chrome (Cr) molybdène (Mo) soufre (S) titane (Ti) bore (B) aluminium (AI) manganèse (Mn) phosphore (P) soufre (S) chrome (Cr) molybdène (Mo) aluminium (Al) vanadium (V) 1,10 à 1,60% 0,015 % maximum 0,011 % maximum 1,00 à 1,60% 0,30 à 0,60 % 0, 02 à 0,05 0/0 0,12 à 0,25 % le reste étant du fer et des impuretés provenant de la fusion.
6. Procédé pour la fabrication d'un élément de structure et / ou de sécurité (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de structure et / ou de sécurité (1) est fixé dans une chambre de traitement thermique et de la poudre de shérardisation est pulvérisée dessus à une température inférieure à 320 C de tous les côtés.
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