La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une bande d'acier dual-phase à structure ferrito-martensitique, laminée à froid, et la bande pouvant être obtenue par ce procédé, qui est plus particulièrement destinée à la fabrication de pièces pour automobile par emboutissage profond.

Les aciers à très haute résistance ont été développés ces dernières années, notamment afin de répondre aux besoins spécifiques de l'industrie automobile, qui sont en particulier la réduction du poids et donc de l'épaisseur des pièces, et l'amélioration de la sécurité qui passe par l'augmentation de la résistance à la fatigue et de la tenue aux chocs des pièces. Ces améliorations ne doivent en outre pas détériorer l'aptitude à la mise en forme des tôles utilisées pour la fabrication des pièces.

Ainsi, on a développé des aciers dits dual-phase, dont la structure est ferrito-martensitique et qui permettent d'atteindre des résistances à la traction Rm de plus de 400 MPa, mais qui ne présentent pas de bonnes caractéristiques d'emboutissabilité, car leur coefficient d'anisotropie r moyen est proche de 1. Par ailleurs, leur aptitude à la galvanisation est mauvaise, car ils contiennent de fortes quantités de silicium ou d'autres éléments néfastes au bon mouillage de la surface de la bande par le zinc en fusion.

Par ailleurs, on connaît des aciers dont la structure est monophasée et qui présentent un coefficient moyen d'anisotropie ř élevé, mais ont des caractéristiques mécaniques moyennes, avec une résistance à la traction Rm ne dépassant pas 400 MPa.
Par exemple US4336080 revendique un procédé de fabrication d'un feuillard d'acier laminé à froid à haute résistance, présentant une excellente aptitude au formage sous pression, qui comprend les étapes suivantes : préparer une brame d'un acier calmé à l'aluminium constitué essentiellement, en pourcentage pondéral, de 0.02 à 0.06 % de carbone, 0.06 à 0.25 % de manganèse, 0.01 à 0.06 % de phosphore, 0.020 à 0.060% d'aluminium soluble, jusqu'à 0.005% d'azote, le complément étant du fer et des impuretés; laminer à chaud ladite brame pour préparer une bande d'acier laminée à chaud ; bobiner ladite bande d'acier à une température comprise entre 650°C et 770° C ; laminer à froid ladite bande d'acier laminée à chaud et bobinée pour préparer une bande d'acier laminée à froid ; soumettre ladite bande d'acier laminée à froid à un traitement de recuit continu pendant une durée déterminée à une température comprise entre 750°C et 880° C, refroidir ledit feuillard d'acier laminé à froid recuit en continu à une vitesse de refroidissement d'au moins : exp {-5,6 (Cwt. %y+Mn wt. %/6+Si wt. %/24)+7,8}. °C./sec à une température comprise entre Ar1 à Ar1 +60° C pour convertir sa structure en une structure dual-phase comprenant une phase de ferrite et une phase de transformation à basse température ; soumettre ledit feuillard d'acier laminé à froid ayant ladite structure dual-phase à un traitement de sur-vieillissement pendant une durée déterminée à une température comprise entre 260°C à 360° C.
EP0969112 est un brevet qui fournit des tôles d'acier à haute résistance présentant des propriétés d'absorption d'énergie d'impact élevées, comme matériaux d'acier, à utiliser pour façonner et travailler dans des pièces telles que les éléments frontaux des automobiles qui absorbent l'énergie d'impact en cas de collision, ainsi qu'une méthode pour leur production. Les tôles d'acier à haute résistance mécanique de l'invention qui présentent des propriétés d'absorption d'énergie de choc élevées sont des tôles d'acier à haute résistance mécanique avec une contrainte d'écoulement élevée pendant la déformation dynamique, caractérisées en ce que la microstructure des tôles d'acier dans leur forme finale est une microstructure composite d'un mélange de ferrite et/ou bainite, dont l'une des phases est dominante, et une troisième phase comprenant de l'austénite retenue à une fraction volumique comprise entre 3 % et 50 %, dans laquelle la valeur moyenne σdyn (MPa) de la contrainte d'écoulement dans la plage de 3^-10% de la contrainte équivalente lorsqu'elle est déformée dans une plage de vitesse de déformation de 5×102^-5×103 (1/s) après prédéformation supérieure à 0% et inférieure ou égale à 10% de la contrainte équivalente, satisfait l'inégalité : σdyn≧0766×TS+250 exprimée en termes de contrainte maximale TS (MPa) dans l'essai de traction statique mesurée dans une plage de vitesse de déformation de 5×10-4^-5×10-3 (1/s) sans déformation, et le coefficient de trempe au travail entre 1% et 5% d'une contrainte est au moins 0,080.

On citera à titre d'exemple les aciers à bas interstitiels, ou les aciers calmés à l'aluminium et re-phosphorés. Les tentatives d'amplifier les mécanismes de durcissement classiques pour ces types d'acier ne permettent pas d'améliorer sensiblement leurs caractéristiques mécaniques. En outre, cet acier doit être apte à la galvanisation.

Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des aciers de l'art antérieur en proposant une bande d'acier apte à l'emboutissage profond, et présentant à la fois d'excellentes caractéristiques mécaniques et d'excellentes caractéristiques d'anisotropie.

A cet effet, l'invention a pour premier objet un procédé de fabrication d'une bande d'acier dual-phase à structure ferrito-martensitique, laminée à froid caractérisé en ce qu'on lamine à chaud une brame dont la composition chimique comprend, en poids :
0,020%

• ≤ C ≤ 0,060%
• 0,300% ≤ Mn ≤ 0,500%
• 0,010% ≤ Cr ≤ 1,0%
• 0,010% ≤ Si ≤ 0,50%
• 0,010% ≤ P ≤ 0,100%
• 0,010% ≤ Al ≤ 0,10%
  N ≤ 0,010%

• bobiner la bande à chaud obtenue à une température comprise entre 550 et 850°C, puis
• à laminer à froid la bande avec un taux de réduction compris entre 60 et 90%, puis
• à recuire la bande de façon continue dans le domaine intercritique, et
• à la refroidir jusqu'à la température ambiante, en une ou plusieurs étapes, la vitesse de refroidissement entre 600°C et la température ambiante étant comprise entre 100°C/s et 1500°C/s,
• et éventuellement à lui faire subir un revenu à une température inférieure à 300°C,

Dans un mode de réalisation préféré, la composition chimique comprend en outre, en poids :

• 0,020% ≤ C ≤ 0,060%
• 0,300% ≤ Mn ≤ 0,500%
• 0,010% ≤ Cr ≤ 1,0%
• 0,010% ≤ Si ≤ 0,50%
• 0,010% ≤ P ≤ 0,100%
• 0,010% ≤ Al ≤ 0,10%
  N ≤ 0,010%

Le procédé selon l'invention peut également comprendre les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :

• on lamine la bande à chaud à une température supérieure à 850°C,
• on bobine la bande à chaud à une température comprise entre 550 et 750°C,
• on lamine à froid la bande avec un taux de réduction compris entre 70 et 80%,
• le recuit continu de la bande laminée à froid comprend une phase de montée en température, puis une phase de maintien à une température prédéterminée,
• la température de maintien est comprise entre Ac1 et 900°C,
• la température de maintien est comprise entre 750 et 850°C,
• le refroidissement jusqu'à la température ambiante comprend un premier refroidissement lent entre la température de maintien et 600°C, au cours duquel la vitesse de refroidissement est inférieure à 50°C/s, puis un second refroidissement à une vitesse plus élevée et comprise entre 100°C/s et 1500°C/s, jusqu'à la température ambiante.

L'invention a également pour deuxième objet une bande d'acier dual-phase à structure ferrito-martensitique, laminée à froid, dont la composition chimique comprend, en poids :

• 0,020%≤ C ≤ 0,060%
• 0,300% ≤ Mn ≤ 0,500%
• 0,010% ≤ Cr ≤ 1,0%
• 0,010% ≤ Si ≤ 0,50%
• 0,010% ≤ P ≤ 0,100%
• 0,010% ≤ Al ≤ 0,10%
  N ≤ 0,010%

Dans un mode de réalisation préféré, la composition de la bande est la suivante :

• 0,020% ≤ C ≤ 0,060%
• 0,300% ≤ Mn ≤ 0,500%
• 0,010% ≤ Cr ≤ 1,0%
• 0,010% ≤ Si ≤ 0,50%
• 0,010% ≤ P ≤ 0,100%
• 0,010% ≤ Al ≤ 0,10%
  N ≤ 0,010%

La bande selon l'invention peut également comprendre les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :

• elle présente une résistance à la traction Rm supérieure à 450 MPa,
• elle présente une résistance à la traction Rm supérieure à 500 MPa,
• elle présente une résistance à la traction Rm supérieure à 600 MPa,
• elle présente un coefficient d'anisotropie moyen r supérieur à 1,1,
• elle présente un coefficient d'anisotropie moyen r supérieur à 1,3,
• elle comporte en outre entre 1% et 10% de martensite,
• elle comporte en outre entre 5% et 8% de martensite.

Enfin, l'invention a pour troisième objet l'utilisation d'une bande d'acier selon l'invention, pour la fabrication de pièces pour automobile par emboutissage profond.

Le procédé selon l'invention consiste à laminer à chaud une brame de composition spécifique, puis à bobiner la bande à chaud obtenue à une température comprise entre 550 et 850°C.

Ce bobinage à température élevée est en effet favorable au développement de ce que l'on appelle une texture, c'est à dire une structure anisotrope. Un tel bobinage permet en effet de faire coalescer la précipitation de cémentite Fe3C, et de réduire la quantité de carbone remise en solution lors du recuit, nocive au développement de la texture de recristallisation.

Le procédé consiste ensuite à laminer à froid la bande avec un taux de réduction compris entre 60 et 90%, puis à la recuire la bande de façon continue dans le domaine intercritique.

Le recuit intercritique permet de re-dissoudre la majorité des phases carburées formées lors du bobinage après la recristallisation. Le fait que l'austénitisation et la dissolution des phases carburées intervienne après la recristallisation permet de conserver le carbone piégé lors de la recristallisation et de le libérer une fois que la texture de la ferrite recristallisée est développée. La texture ne sera donc pas affectée par le carbone en solution solide, comme dans le cas d'un bobinage à basse température, mais uniquement altérée par le caractère isotrope de la martensite formée.

Le procédé consiste ensuite à refroidir la bande jusqu'à la température ambiante, en une ou plusieurs étapes, la vitesse de refroidissement entre 600°C et la température ambiante étant comprise entre 100°C/s et 1500°C/s, et éventuellement à lui faire subir un revenu à une température inférieure à 300°C.

Cette phase de refroidissement rapide permet de former de la martensite dans la structure de l'acier, ce qui permet d'obtenir de très bonnes caractéristiques mécaniques. Cependant, on veille à ne pas former trop de martensite, car celle-ci est isotrope et réduit donc le coefficient moyen d'anisotropie r.

La trempe a l'eau permet de former des proportions importantes de phases carburées par rapport à l'analyse considérée. On peut réduire la fraction de phase martensitique formée en abaissant la température de maintien vers des valeurs plus basses dans le domaine intercritique, ou bien encore en pratiquant un refroidissement lent avant trempe.

On peut également réduire la différence de dureté entre la matrice ferritique et la phase martensitique, en refroidissant plus lentement la bande ou en pratiquant un court revenu, de l'ordre d'une minute, de la phase martensitique formée après trempe à l'eau.

Il est à noter que ce revenu n'est en aucun cas un traitement de survieillissement comme on en trouve dans l'art antérieur. En effet, ces traitements de survieillissement (ou overaging en anglais), qui sont généralement effectués entre 300 et 500°C, ont notamment pour effet de supprimer la martensite qui est un élément essentiel de la présente invention. Le revenu éventuellement pratiqué selon l'invention, consiste à précipiter une partie du carbone en solution solide piégé dans la martensite, sans diminuer la proportion de cette martensite. La température maximale de ce revenu est de 300°C, de préférence de 250°C, et de façon plus particulièrement préférée, de 200°C.

La composition selon l'invention comprend du carbone à une teneur comprise entre 0,010% et 0,100%. Cet élément est essentiel à l'obtention de bonnes caractéristiques mécaniques, mais ne doit pas être présent en trop grande quantité, car il générerait la formation d'une trop grande proportion de phase martensitique.

Elle comprend également du manganèse à une teneur comprise entre 0,050% et 1,0%. Le manganèse améliore la limite d'élasticité de l'acier tout en réduisant fortement sa ductilité, ce pour quoi on limite sa teneur.

La composition comprend également du chrome à une teneur comprise entre 0,010% et 1,0% qui aide à la formation recherchée de martensite.

La composition comprend également du silicium à une teneur comprise entre 0,010% et 0,50%. Il améliore fortement la limite d'élasticité de l'acier tout en réduisant faiblement sa ductilité et en détériorant sa revêtabilité.

La composition comprend également du phosphore à une teneur comprise entre 0,001% et 0,20%, qui durcit la microstructure sans affecter sa texture.

La composition comprend également de l'aluminium à une teneur comprise entre 0,010% et 0,10% qui évite le vieillissement en piégeant l'azote.

A titre d'exemple non limitatif, et afin de mieux illustrer l'invention, deux nuances d'acier ont été élaborées. Leur composition, en millièmes de pourcent est donnée dans le tableau suivant : C Mn Cr Si P Al N A 60 600 70 70 20 56 5 B 43 373 76 13 22 56 5,7 Le reste des compositions est constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration.

• Re : limite d'élasticité en MPa
• Rm : résistance à la traction en MPa
• r : coefficient d'anisotropie
• P : palier
• %m : proportion de martensite

Après élaboration, les deux nuances ont été austénitisée à 1250°C pendant une heure, afin d'obtenir une mise en solution des nitrures d'aluminium. Les brames ont ensuite été laminées à chaud de telle sorte que la température de fin de laminage soit supérieure à 900°C, la valeur de AR3 étant de 870°C environ pour les deux nuances.

Les bandes laminées à chaud ont ensuite été refroidies par trempe à l'eau, à une vitesse de refroidissement de l'ordre de 25°C/s, jusqu'à atteindre la température de bobinage. La nuance A a été bobinée à 720°C, tandis qu'un échantillon de la nuance B a été bobiné à 550°C et l'autre à 720°C.

Les différents échantillons ont ensuite été laminés à froid jusqu'à atteindre un taux de réduction de 75%, puis ont été soumis à un traitement de recuit à une température de maintien de 750°C pour certains échantillons, et de 800°C pour d'autres. Le refroidissement jusqu'à la température ambiante est alors effectué à une vitesse de l'ordre de 25°C/s, par trempe à l'eau.

On mesure ensuite les caractéristiques mécaniques et d'anisotropie des aciers obtenus.

Les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant : Nuance Tbob (°C) Tmaintien (°C) Direction Re (MPa) Rm (MPa) P (%) r r moyen % m A 720 800 T 420 711 0 1,10 0,98 14 L 405 713 0 1,11 45° 425 720 0 0,85 750 T 443 713 0 1,26 1,02 12 L 438 717 0 1,13 45° 451 736 0 0,84 B 720 800 T 432 656 0 1,46 1,27 8 L 430 697 0 1,60 45° 436 668 0 1,01 750 T 454 662 0 2,04 1,37 7 L 457 690 0 1,41 45° 461 677 0 1,01 550 800 T 455 677 0 1,47 1,21 6 L 446 667 0 1,44 45° 472 687 0 0,97 750 T 475 680 0,3 1,46 1,09 5 L 463 668 0,4 1,25 45° 482 697 0,3 0,83

L'anisotropie globale d'un acier est déterminée par le coefficient d'anisotropie normale r moyen : $$\mathrm{r}=\frac{\mathrm{rT}+\mathrm{rL}+2\left(\mathrm{r}45°\right))}{4}$$

• où rT désigne la valeur de r mesurée dans la direction transversale au sens de laminage de la bande,
• rL désigne la valeur de r mesurée dans la direction longitudinale au sens de laminage de la bande,
• r45° désigne la valeur de r mesurée à 45° par rapport au sens de laminage de la bande.

Pour une température de bobinage de 720°C, on a représenté en figure 1, la relation existant entre le coefficient r moyen et le taux de martensite formé %m pour les nuances A et B. On constate que plus le taux de martensite augmente, plus l'acier est isotrope.

Par ailleurs, on constate que plus le taux de martensite est important, plus les caractéristiques mécaniques sont élevées.

A titre d'illustration, on a fait figurer en figure 2 la microstructure obtenue avec la nuance A, bobinée à 720°C, puis recuit à 750°C pour obtenir finalement 12% de martensite. On y distingue bien la ferrite et la martensite formée.