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WO2015181581A1 - Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle comprenant du lanthane - Google Patents

Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle comprenant du lanthane Download PDF

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WO2015181581A1
WO2015181581A1 PCT/IB2014/061788 IB2014061788W WO2015181581A1 WO 2015181581 A1 WO2015181581 A1 WO 2015181581A1 IB 2014061788 W IB2014061788 W IB 2014061788W WO 2015181581 A1 WO2015181581 A1 WO 2015181581A1
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WO
WIPO (PCT)
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weight
coating
cathodic protection
steel
steel sheet
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/IB2014/061788
Other languages
English (en)
Inventor
Christian ALLÉLY
Jacques Petitjean
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ArcelorMittal Investigacion y Desarrollo SL
Original Assignee
ArcelorMittal Investigacion y Desarrollo SL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to MA39875A priority patent/MA39875B1/fr
Priority to BR112016027581-0A priority patent/BR112016027581B1/pt
Priority to KR1020167032934A priority patent/KR102384093B1/ko
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    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/20—Deep-drawing
    • B21D22/208—Deep-drawing by heating the blank or deep-drawing associated with heat treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D28/00—Shaping by press-cutting; Perforating
    • B21D28/02—Punching blanks or articles with or without obtaining scrap; Notching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/26—After-treatment
    • C23C2/28—Thermal after-treatment, e.g. treatment in oil bath

Definitions

  • the present invention relates to a steel sheet provided with a sacrificial cathodic protection coating, more particularly intended for the manufacture of automotive parts, without being limited thereby.
  • the other family of metal coatings commonly used for the production of automobile parts is the family of aluminum and silicon-based coatings. These coatings do not generate microcracking in the steel when deformed due to the presence of an Al-Si-Fe intermetallic layer and have good paintability. Although they provide barrier protection and are weldable, they do not provide cathodic protection.
  • the application EP 1 997 927 discloses corrosion-resistant steel sheets coated with a coating comprising more than 35% by weight of Zn and comprising a non-equilibrium phase whose specific heat is measured by differential scanning calorimetry. is greater than or equal to 1 J / g.
  • the coating comprises at least 40% by weight of zinc, 1 to 60% by weight of magnesium and 0.07 to 59% by weight of aluminum.
  • the coating may comprise from 0.1 to 10% lanthanum to improve the ductility and machinability of the coating.
  • One of the objectives of the present application is to overcome the disadvantages of the prior art coatings by providing coated steel sheets with enhanced protection against corrosion, before and after stamping, in particular.
  • the sheets When the sheets are intended to be hardened in press, in particular hot-stamped, it also seeks a resistance to the propagation of microcracks in the steel and, preferably, a window of the widest possible use in time and temperature during the heat treatment preceding the curing in press.
  • the subject of the invention is a steel sheet provided with a sacrificial cathodic protection coating, the coating comprising from 1 to 40% by weight of zinc, from 0.01 to 0.4% by weight of lanthanum, and optionally up to 10% by weight of magnesium, optionally up to 15% by weight of silicon, and optionally up to 0.3% by weight, in cumulative concentrations, of any additional elements, the rest being made of aluminum and residual elements or unavoidable impurities.
  • the coating of the sheet according to the invention may further incorporate the following features, taken separately or in combination:
  • the coating comprises between 1 and 40% by weight of zinc, in particular from 1 to 34% by weight of zinc, typically from 1 to 30% by weight of zinc, preferably from 2 to 20% by weight of zinc,
  • the coating comprises from 0.05 to 0.4% by weight of lanthanum, typically from 0.1 to 0.4% by weight of lanthanum, preferably from 0.1 to 0.3% by weight of lanthanum, the coating comprises from 0 to 5% by weight of magnesium,
  • the coating comprises from 0.5 to 10% by weight of silicon, preferably 0.5 to 5% by weight of silicon,
  • the coating has a thickness of 10 to 50 ⁇ , preferably 27 to 50 ⁇ , - the coating is obtained by hot quenching.
  • Coatings comprising, by weight:
  • the expression “between X and Y%” implies that the values X and Y are excluded, whereas the expression “de X at Y% "(eg 1 to 40 wt.% zinc) implies that the X and Y values are included.
  • the coating of the sheet according to the invention may especially comprise from 1 to 34% by weight of zinc, from 0.05 to 0.4% by weight of lanthanum, from 0 to 5% by weight of magnesium, from 0.3 10% by weight of silicon, and up to 0.3% by weight, in cumulative contents, of additional elements, the remainder being made of aluminum and residual elements or unavoidable impurities.
  • the steel of the sheet comprises, in percent by weight, 0.15% ⁇ C ⁇ 0.5%, 0.5% ⁇ Mn ⁇ 3%, 0.1% ⁇ silicon ⁇ 0.5%, Cr ⁇ 1%, Ni ⁇ 0.1%, Cu ⁇ 0.1%, Ti ⁇ 0.2%, Al ⁇ 0.1%, P ⁇ 0.1%, S ⁇ 0.05%, 0.0005% ⁇ B ⁇ 0.08%, the remainder being iron and unavoidable impurities due to steel making.
  • Another object of the invention is constituted by a method of manufacturing a steel part provided with a sacrificial cathodic protection coating comprising the following steps, taken in this order and consisting of:
  • the temperature Tm, the time tm, the thickness of the primer coating and its contents of lanthanum, zinc and optionally magnesium being chosen so that the final average iron content in an upper portion of the coating of said steel piece provided a sacrificial cathodic protection coating is less than 75% by weight.
  • Another object of the invention is constituted by a part provided with a sacrificial cathodic protection coating obtainable by the method according to the invention or by cold stamping of a sheet according to the invention, and which is more particularly intended for the automotive industry.
  • the invention relates to a steel sheet provided with a coating comprising in particular lanthanum. Without wishing to be bound by a particular theory, it seems that lanthanum acts as a protective element of the coating.
  • the coating comprises from 0.01 to 0.4% by weight of lanthanum, in particular from 0.05 to 0.4% by weight of lanthanum, typically from 0.1 to 0.3% by weight of lanthanum.
  • lanthanum content is less than 0.01%, the effect of increased resistance against corrosion is not observed.
  • the lanthanum content exceeds 0.4%.
  • proportions of 0.1 to 0.3% by weight of lanthanum are particularly suitable for minimizing the occurrence of red rust and thus to protect against corrosion.
  • the coating of the sheet according to the invention comprises from 5 to 40% by weight of zinc and optionally up to 10% by weight of magnesium. Without wishing to be bound by a particular theory, it would seem that these elements make it possible, in combination with lanthanum, to reduce the electrochemical potential of the coating with respect to the steel, in media containing or not containing chloride ions.
  • the coatings according to the invention thus have sacrificial cathodic protection.
  • zinc whose protective effect is greater than that of magnesium and which is easier to implement because less oxidizable.
  • the coatings of the sheets according to the invention also comprise up to 15% by weight of silicon, in particular from 0.1 to 15%, typically from 0.5 to 10% by weight of silicon, preferably from 0.5 to 5% by weight. by weight of silicon, for example from 1 to 3% of silicon.
  • silicon makes it possible to give the sheets high resistance to oxidation at high temperatures.
  • the presence of silicon allows their use up to 650 without risk of flaking coating.
  • silicon can prevent the formation of a thick layer of iron-zinc intermetallic during a hot dip coating, intermetallic layer that reduces the adhesion and formability of the coating.
  • the presence of a silicon content greater than 0.5% by weight makes them more particularly able to be hardened in press and in particular to be shaped by hot stamping. It is preferred to use for this purpose an amount of 0.5 to 15% silicon.
  • a content greater than 15% by weight is undesirable since primary silicon is formed which could degrade the properties of the coating, in particular the properties of corrosion resistance.
  • the coatings of the sheets according to the invention can also comprise, in aggregated contents, up to 0.3% by weight, preferably up to 0.1% by weight, or even less than 0.05% by weight of elements. additional such as Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Ce, Cr, Ni, Zr, In, Sn, Hf or Bi. These various elements may allow, among other things, to improve the corrosion resistance of the coating or its fragility or adhesion, for example. The skilled person who knows their effects on the characteristics of the coating will know how to use them in depending on the complementary goal sought, in the proportion adapted for this purpose which will generally be 20 ppm to 50 ppm. It was further verified that these elements did not interfere with the main properties sought in the context of the invention.
  • the coatings of the sheets according to the invention may also comprise unavoidable residual elements and impurities resulting, in particular, from the pollution of hot dip galvanizing baths by passage of the steel strips or impurities from the ingots of the same baths or ingots of vacuum deposition processes.
  • a residual element mention may be made of iron which may be present in amounts of up to 5% by weight and in general from 2 to 4% by weight in hot dip coating baths.
  • the coating may therefore comprise from 0 to 5% by weight of iron, for example from 2 to 4% by weight.
  • the sheet coatings according to the invention finally comprise aluminum, the content of which can range from about 29% to about 99% by weight.
  • This element makes it possible to provide protection against corrosion of the plates by a barrier effect. It increases the melting temperature and the evaporation temperature of the coating, thus enabling it to be implemented more easily, in particular by hot stamping and in a wide range of time and temperature. This may be particularly interesting when the composition of the steel of the sheet and / or the final microstructure referred to for the part require to pass through austenitization at high temperature and / or for long periods.
  • the coating comprises more than 50%, especially more than 70%, preferably more than 80% by weight of aluminum.
  • the thickness of the coating is preferably from 10 to 50 ⁇ . Indeed, below 10 ⁇ , protection against corrosion of the band might be insufficient. Above 50 ⁇ , the protection against corrosion exceeds the required level, especially in the automotive field. In addition, if a coating of such thickness is subjected to a significant rise in temperature and / or for long periods, it may melt in the upper part and come to flow on the oven rolls or in the stamping tools , which would deteriorate them.
  • a thickness of 27 to 50 ⁇ is particularly suitable for the manufacture of hardened parts in press, particularly by hot stamping.
  • the nature of it is not critical as long as the coating can adhere sufficiently.
  • the steel has a composition that allows the part to reach a tensile strength of 500 to 1600 MPa, depending on the conditions. of use.
  • a steel composition comprising, in% by weight: 0.15% ⁇ C ⁇ 0.5%, 0.5% ⁇ Mn ⁇ 3%, 0.1% ⁇ If ⁇ 0.5%, Cr ⁇ 1%, Ni ⁇ 0.1%, Cu ⁇ 0.1%, Ti ⁇ 0.2%, Al ⁇ 0.1%, P ⁇ 0.1%, S ⁇ 0 , 05%, 0.0005% ⁇ B ⁇ 0.08%, the remainder being iron and unavoidable impurities from the elaboration of steel.
  • An example of a commercially available steel is 22MnB5.
  • a steel composition comprising: 0.040% ⁇ C ⁇ 0.100%, 0.80% ⁇ Mn ⁇ 2.00%, Si ⁇ 0.30 %, S ⁇ 0.005%, P ⁇ 0.030%, 0.010% ⁇ Al ⁇ 0.070%, 0.015% ⁇ Nb ⁇ 0.100%, 0.030% ⁇ Ti ⁇ 0.080%, N ⁇ 0.009%, Cu ⁇ 0.100%, Ni ⁇ 0.100% , Cr ⁇ 0.100%, Mo ⁇ 0.100%, Ca ⁇ 0.006%, the remainder being iron and unavoidable impurities resulting from the production of steel.
  • the steel sheets can be made by hot rolling and can optionally be cold rolled, depending on the final thickness referred to, which can vary, for example, from 0.7 to 3 mm.
  • the sheets may be coated by any suitable means such as an electrodeposition process or by a vacuum deposition method or under pressure close to atmospheric pressure, such as deposition by magnetron sputtering, by cold plasma or by evaporation under vacuum for example, but it will be preferred to obtain them by a hot dipping coating process in a molten metal bath. It is observed that the superficial cathodic protection is more important for coatings obtained by hot quenching than for coatings obtained by other coating processes.
  • the sheets according to the invention can then be shaped by any method adapted to the structure and shape of the parts to be manufactured, such as for example cold stamping.
  • the sheets according to the invention are more particularly suitable for the manufacture of hardened parts in press, in particular by hot stamping.
  • This method consists of supplying a steel sheet according to the previously coated invention, then cutting the sheet to obtain a blank.
  • This blank is then heated in an oven under a non-protective atmosphere to an austenitization temperature Tm of from 840 to 950, preferably from 880 to 930, and then to maintain the blank at this temperature.
  • temperature Tm for a period of time ranging from 1 to 8 minutes, preferably from 4 to 6 minutes.
  • the temperature Tm and the holding time tm depend on the nature of the steel but also on the thickness of the sheets to be stamped, which must be entirely in the austenitic field before they are shaped.
  • the rate of rise in temperature also affects these parameters, a high speed (greater than 30 / S for example) to also reduce the holding time tm.
  • the blank is then transferred to a hot stamping tool and then stamped.
  • the resulting part is then cooled either in the stamping tool itself or after transfer to a specific cooling tool.
  • the cooling rate is in all cases controlled according to the composition of the steel, so that its final microstructure after the hot stamping comprises at least one component selected from martensite and bainite, in order to achieve the desired level of mechanical strength.
  • This upper part has a thickness of at least 5 ⁇ and generally less than 13 ⁇ .
  • the proportion of iron can for example be measured by glow discharge spectrometry (LDS).
  • the temperature Tm and / or the holding time tm it is possible to limit the temperature Tm and / or the holding time tm. It is also possible to increase the thickness of the pre-coating to prevent the diffusion front of the iron from reaching the surface of the coating. In this respect, it is preferable to use a sheet having a pre-coating thickness greater than or equal to 27 ⁇ , preferably greater than or equal to 30 ⁇ or even 35 ⁇ . In order to limit the loss of cathodic power of the final coating, the contents of lanthanum and / or zinc and possibly magnesium of the previous coating may also be increased.
  • the figure shows the extent of red rust versus time per hour for each of the 6 coatings tested in the tests.
  • Tests were carried out with four trilayer samples, each consisting of a sheet of cold rolled 22MnB5 5 mm thick (1 st layer), provided with a coating obtained hot dip a thickness of 1 mm and composition is specified below (2nd layer), itself covered with a second sheet of 22MnB5 cold-rolled to thickness of 5 mm (3rd layer).
  • the figure also shows that the 0.2% lanthanum coating has a galvanic coupling current with steel much higher than the lanthanum or 0.5% La coating.

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Abstract

L'invention concerne une tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle comprenant de 1 à 40% en poids de zinc, de 0,01 à 0,4% en poids de lanthane, et éventuellement jusqu'à 10% en poids de magnésium, éventuellement jusqu'à 15% en poids de silicium, et éventuellement jusqu'à 0,3% en poids, en teneurs cumulées, d'éléments additionnels, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables. Elle concerne également un procédé de fabrication de pièces par emboutissage à chaud ou à froid et les pièces pouvant être ainsi obtenues.

Description

Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle
comprenant du lanthane
La présente invention concerne une tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle, plus particulièrement destinée à la fabrication de pièces pour automobile, sans y être pour autant limitée.
En effet, à ce jour, seuls les revêtements de zinc ou d'alliages de zinc apportent une protection renforcée contre la corrosion en raison d'une double protection barrière et cathodique. L'effet barrière est obtenu par l'application du revêtement à la surface de l'acier, qui empêche ainsi tout contact entre l'acier et le milieu corrosif et est indépendant de la nature du revêtement et du substrat. Au contraire, la protection cathodique sacrificielle est basée sur le fait que le zinc est un métal moins noble que l'acier et, qu'en situation de corrosion, il se consomme préférentiellement à l'acier. Cette protection cathodique est en particulier essentielle dans les zones où l'acier est directement exposé à l'atmosphère corrosive, comme les bords découpés où les zones blessées où l'acier est à nu et où le zinc environnant va être consommé avant toute attaque de la zone non revêtue.
Cependant, du fait de son bas point de fusion, le zinc pose problème lorsqu'il faut souder les pièces, car on risque de le vaporiser. Pour pallier ce problème, une possibilité est de réduire l'épaisseur du revêtement, mais on limite alors la durée dans le temps de la protection contre la corrosion. En outre, lorsqu'on souhaite durcir la tôle sous presse, notamment par emboutissage à chaud, on observe la formation de microfissures dans l'acier qui se propagent depuis le revêtement. De même, la mise en peinture de certaines pièces revêtues préalablement de zinc et durcies sous presse nécessite une opération de sablage avant phosphatation en raison de la présence d'une couche d'oxyde fragile en surface de la pièce.
L'autre famille de revêtements métalliques communément utilisés pour la production de pièces pour l'automobile est la famille des revêtements à base d'aluminium et de silicium. Ces revêtements ne génèrent pas de microfissuration dans l'acier lorsqu'on les déforme en raison de la présence d'une couche d'intermétallique Al-Si-Fe et présentent une bonne aptitude à la mise en peinture. S'ils permettent d'obtenir une protection par effet barrière et sont soudables, ils ne permettent cependant pas d'obtenir de protection cathodique.
La demande EP 1 997 927 décrit des tôles d'acier résistantes à la corrosion et revêtues d'un revêtement comprenant plus de 35% en poids de Zn et comprenant une phase en non-équilibre dont la chaleur spécifique mesurée par calorimétrie différentielle à balayage est supérieure ou égale à 1 J/g. De préférence, le revêtement comprend au moins 40% en poids de zinc, de 1 à 60% en poids de magnésium et de 0,07 à 59% en poids d'aluminium. Le revêtement peut comprendre de 0,1 à 10% de lanthane pour améliorer la ductilité et l'usinabilité du revêtement.
Un des objectifs de la présente demande est de remédier aux inconvénients des revêtements de l'art antérieur en mettant à disposition des tôles d'acier revêtues présentant une protection renforcée contre la corrosion, avant et après mise en œuvre par emboutissage, notamment. Lorsque les tôles sont destinées à être durcies sous presse, en particulier embouties à chaud, on recherche en outre une résistance à la propagation de microfissures dans l'acier et, de préférence, une fenêtre d'utilisation la plus large possible en temps et température lors du traitement thermique précédant le durcissement sous presse.
En termes de protection cathodique sacrificielle, on cherche à atteindre un potentiel électrochimique au moins 50 mV plus négatif que celui de l'acier, soit une valeur minimale de -0,78 V par rapport à une électrode au calomel saturé (ECS). On ne souhaite cependant pas aller plus bas qu'une valeur de -1 ,4V, voire -1 ,25V qui entraînerait une consommation du revêtement trop rapide et diminuerait en final la durée de protection de l'acier. A cet effet, l'invention a pour objet une tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle, le revêtement comprenant de 1 à 40% en poids de zinc, de 0,01 à 0,4% en poids de lanthane, et éventuellement jusqu'à 10% en poids de magnésium, éventuellement jusqu'à 15% en poids de silicium, et éventuellement jusqu'à 0,3% en poids, en teneurs cumulées, d'éventuels éléments additionnels, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables.
Le revêtement de la tôle selon l'invention peut en outre incorporer les caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison :
le revêtement comprend entre 1 et 40% en poids de zinc, notamment de 1 à 34% en poids de zinc, typiquement de 1 à 30% en poids de zinc, de préférence de 2 à 20% en poids de zinc,
le revêtement comprend de 0,05 à 0,4% en poids de lanthane, typiquement de 0,1 à 0,4% en poids de lanthane, de préférence de 0,1 à 0,3% en poids de lanthane, le revêtement comprend de 0 à 5% en poids de magnésium,
le revêtement comprend de 0,5 à 10% en poids de silicium, de préférence 0,5 à 5% en poids de silicium,
le revêtement présente une épaisseur de 10 à 50 μιη, de préférence de 27 à 50 μιη, - le revêtement est obtenu par trempé à chaud.
Des revêtements comprenant, en poids :
- 2% de silicium, 10% de zinc, 0,2% de lanthane, et jusqu'à 0,3% en poids, en teneurs cumulées, d'éléments additionnels, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables, ou
- 2% de silicium, 4% de zinc, 2% de magnésium, 0,2% de lanthane, et jusqu'à 0,3% en poids, en teneurs cumulées, d'éléments additionnels, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables,
sont particulièrement préférés.
Au sens de la présente demande, l'expression « entre X et Y% » (par exemple entre 1 et 40% en poids de zinc) sous-entend que les valeurs X et Y sont exclues, alors que l'expression « de X à Y% » (par exemple de 1 à 40% en poids de zinc) sous-entend que les valeurs X et Y sont inclues.
Le revêtement de la tôle selon l'invention peut notamment comprendre de 1 à 34% en poids de zinc, de 0,05 à 0,4% en poids de lanthane, de 0 à 5% en poids de magnésium, de 0,3 à 10% en poids de silicium, et jusqu'à 0,3% en poids, en teneurs cumulées, d'éléments additionnels, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables.
Généralement, l'acier de la tôle comprend, en pourcents en poids, 0,15%<C<0,5%, 0,5%<Mn<3%, 0,1 %<silicium<0,5%, Cr<1 %, Ni<0,1 %, Cu<0,1 %, Ti<0,2%, Al<0,1 %, P<0,1 %, S<0,05%, 0,0005%<B<0,08%, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables dues à l'élaboration de l'acier. Un autre objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication d'une pièce en acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle comprenant les étapes suivantes, prises dans cet ordre et consistant à:
- approvisionner une tôle d'acier telle que définie ci-dessus revêtue préalablement, puis à - découper la tôle pour obtenir un flan, puis à
- chauffer le flan sous une atmosphère non protectrice jusqu'à une température d'austénitisation Tm de 840 à 950^, puis à
maintenir le flan à cette température Tm pendant une durée tm de 1 à 8 minutes, puis à
- emboutir à chaud le flan pour obtenir une pièce que l'on refroidit à une vitesse telle que la microstructure de l'acier comprend au moins un constituant choisi parmi la martensite et la bainite pour obtenir une d'une pièce en acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle,
la température Tm, le temps tm, l'épaisseur du revêtement préalable et ses teneurs en lanthane, en zinc et éventuellement en magnésium étant choisis de telle sorte que la teneur moyenne finale en fer dans une partie supérieure du revêtement de ladite pièce en acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle soit inférieure à 75% en poids.
Un autre objet de l'invention est constitué par une pièce munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle pouvant être obtenue par le procédé selon l'invention ou par emboutissage à froid d'une tôle selon l'invention, et qui est plus particulièrement destinée à l'industrie automobile.
L'invention va à présent être décrite plus en détail en référence à des modes de réalisation particuliers donnés à titre d'exemples non limitatif.
L'invention porte sur une tôle d'acier munie d'un revêtement comprenant notamment du lanthane. Sans vouloir être lié par une théorie particulière, il semblerait que le lanthane agisse comme élément de protection du revêtement.
Le revêtement comprend de 0,01 à 0,4% en poids de lanthane, notamment 0,05 à 0,4% en poids de lanthane, typiquement de 0,1 à 0,3% en poids de lanthane. Lorsque la teneur en lanthane est inférieure à 0,01 %, l'effet de résistance accrue contre la corrosion n'est pas observé. Il en va de même lorsque la teneur en lanthane dépasse 0,4%. Des proportions de 0,1 à 0,3% en poids de lanthane sont particulièrement adaptées pour minimiser l'apparition de rouille rouge et donc pour protéger contre la corrosion.
Le revêtement de la tôle selon l'invention comprend de 5 à 40% en poids de zinc et éventuellement jusqu'à 10% en poids de magnésium. Sans vouloir être lié par une théorie particulière, il semblerait que ces éléments permettent, en association avec le lanthane, de diminuer le potentiel électrochimique du revêtement par rapport à l'acier, dans des milieux contenant ou ne contenant pas d'ions chlorures. Les revêtements selon l'invention présentent ainsi une protection cathodique sacrificielle.
On préfère utiliser le zinc dont l'effet de protection est plus important que celui du magnésium et qui est plus simple à mettre en œuvre car moins oxydable. Ainsi, on préfère utiliser entre 1 et 40% en poids de zinc, notamment de 1 à 34% en poids de zinc, de préférence de 2 à 20% en poids de zinc, associé ou non à 1 à 10%, voire 1 à 5% en poids de magnésium.
Les revêtements des tôles selon l'invention comprennent également jusqu'à 15% en poids de silicium, notamment de 0,1 à 15%, typiquement de 0,5 à 10% en poids de silicium, de préférence 0,5 à 5% en poids de silicium, par exemple de 1 à 3% de silicium. Le silicium permet notamment de conférer aux tôles une grande résistance à l'oxydation à haute température. La présence de silicium permet ainsi leur utilisation jusqu'à 650 sans risque d'écaillage du revêtement. Par ailleurs, le silicium permet de prévenir la formation d'une épaisse couche d'intermétallique fer-zinc lors d'un revêtement au trempé à chaud, couche d'intermétallique qui réduirait l'adhérence et la formabilité du revêtement. La présence d'une teneur en silicium supérieure à 0,5% en poids les rend ainsi plus particulièrement aptes à être durcies sous presse et en particulier à être mises en forme par emboutissage à chaud. On préfère utiliser à cette fin une quantité de 0,5 à 15% de silicium. Une teneur supérieure à 15% en poids n'est pas souhaitable car il se forme alors du silicium primaire qui pourrait dégrader les propriétés du revêtement, en particulier les propriétés de résistance à la corrosion.
Les revêtements des tôles selon l'invention peuvent également comprendre, en teneurs cumulées, jusqu'à 0,3% en poids, de préférence jusqu'à 0,1 % en poids, voire moins de 0,05% en poids d'éléments additionnels tels que Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Ce, Cr, Ni, Zr, In, Sn, Hf ou Bi. Ces différents éléments peuvent permettre, entre autres, d'améliorer la résistance à la corrosion du revêtement ou bien sa fragilité ou son adhésion, par exemple. L'homme du métier qui connaît leurs effets sur les caractéristiques du revêtement saura les employer en fonction du but complémentaire recherché, dans la proportion adaptée à cet effet qui sera généralement de 20 ppm à 50 ppm. On a en outre vérifié que ces éléments n'interféraient pas avec les propriétés principales recherchées dans le cadre de l'invention.
Les revêtements des tôles selon l'invention peuvent aussi comprendre des éléments résiduels et impuretés inévitables provenant, notamment, de la pollution des bains de galvanisation au trempé à chaud par passage des bandes d'acier ou des impuretés provenant des lingots d'alimentation des mêmes bains ou des lingots d'alimentation des procédés de dépôt sous vide. On pourra notamment citer, comme élément résiduel, le fer qui peut être présent en des quantités allant jusqu'à 5% en poids et en général de 2 à 4% en poids dans les bains de revêtement au trempé à chaud. Le revêtement peut donc comprendre de 0 à 5% en poids de fer, par exemple de 2 à 4% en poids.
Les revêtements des tôles selon l'invention comprennent finalement de l'aluminium dont la teneur peut aller d'environ 29% à près de 99% en poids. Cet élément permet d'assurer une protection contre la corrosion des tôles par effet barrière. Il augmente la température de fusion et la température d'évaporation du revêtement, permettant ainsi de pouvoir le mettre en œuvre plus facilement, en particulier par emboutissage à chaud et ce dans une gamme étendue de temps et de température. Ceci peut être particulièrement intéressant lorsque la composition de l'acier de la tôle et/ou la microstructure finale visée pour la pièce imposent de passer par une austénitisation à haute température et/ou pendant des temps longs. Généralement, le revêtement comprend plus de 50%, notamment plus de 70%, de préférence plus de 80% en poids d'aluminium.
L'épaisseur du revêtement est de préférence comprise de 10 à 50 μιτι. En effet, en dessous de 10 μιη, la protection contre la corrosion de la bande risquerait d'être insuffisante. Au-delà de 50 μιη, la protection contre la corrosion dépasse le niveau requis, en particulier dans le domaine de l'automobile. En outre, si un revêtement d'une telle épaisseur est soumis à une élévation de température importante et/ou pendant des durées longues, il risque de fondre en partie supérieure et de venir couler sur les rouleaux de four ou dans les outils d'emboutissage, ce qui les détériorerait. Une épaisseur de 27 à 50 μιη est particulièrement adaptée à la fabrication de pièces durcies sous presse, notamment par emboutissage à chaud.
En ce qui concerne à présent l'acier employé pour la tôle selon l'invention, la nature de celui-ci n'est pas critique tant que le revêtement peut y adhérer de façon suffisante. Cependant, pour certaines applications nécessitant des résistances mécaniques élevées, comme pour les pièces de structure pour automobile, on préfère que l'acier présente une composition permettant à la pièce d'atteindre une résistance en traction de 500 à 1600 MPa, en fonction des conditions d'usage.
Dans cette gamme de résistances, on préférera en particulier utiliser une composition d'acier comprenant, en % en poids : 0,15%<C<0,5%, 0,5%<Mn<3%, 0,1 %<Si<0,5%, Cr<1 %, Ni<0,1 %, Cu<0,1 %, Ti<0,2%, Al<0,1 %, P<0,1 %, S<0,05%, 0,0005%<B<0,08%, le reste étant du fer et des impuretés inévitables issues de l'élaboration de l'acier. Un exemple d'un acier disponible dans le commerce est le 22MnB5.
Lorsque le niveau de résistance recherché est de l'ordre de 500 MPa, on préfère utiliser une composition d'acier comprenant : 0,040% < C < 0,100%, 0,80% < Mn < 2,00%, Si < 0,30%, S < 0,005%, P< 0,030%, 0,010% < Al < 0,070%, 0,015% < Nb < 0,100%, 0,030% < Ti< 0,080%, N < 0,009%, Cu < 0,100%, Ni < 0,100%, Cr < 0,100%, Mo < 0,100%, Ca < 0,006%, le reste étant du fer et des impuretés inévitables issues de l'élaboration de l'acier.
Les tôles d'acier peuvent être fabriquées par laminage à chaud et peuvent éventuellement être re-laminées à froid, en fonction de l'épaisseur finale visée, qui peut varier, par exemple, de 0,7 à 3 mm.
Les tôles peuvent être revêtues par tout moyen adapté tel qu'un procédé d'électrodéposition ou par un procédé de dépôt sous vide ou sous pression proche de la pression atmosphérique, tel que le dépôt par sputtering magnétron, par plasma froid ou par évaporation sous vide, par exemple, mais on préférera les obtenir par un procédé de revêtement au trempé à chaud dans un bain métallique fondu. On observe en effet que la protection cathodique superficielle est plus importante pour les revêtements obtenus par trempé à chaud que pour les revêtements obtenus par d'autres procédés de revêtement.
Les tôles selon l'invention peuvent ensuite être mises en forme par tout procédé adapté à la structure et à la forme des pièces à fabriquer, tel que par exemple l'emboutissage à froid.
Cependant, les tôles selon l'invention sont plus particulièrement adaptées à la fabrication de pièces durcies sous presse, notamment par emboutissage à chaud.
Ce procédé consiste à approvisionner une tôle d'acier selon l'invention préalablement revêtue, puis à découper la tôle pour obtenir un flan. Ce flan est ensuite chauffé dans un four sous une atmosphère non protectrice jusqu'à une température d'austénitisation Tm comprise de 840 à 950 , de préférence comprise de 880 à 930 , puis à maintenir le flan à cette température Tm pendant une durée tm comprise de 1 à 8 minutes, de préférence comprise de 4 à 6 minutes.
La température Tm et le temps de maintien tm dépendent de la nature de l'acier mais aussi de l'épaisseur des tôles à emboutir qui doivent être entièrement dans le domaine austénitique avant leur mise en forme. Plus la température Tm est élevée, plus le temps de maintien tm sera court et vice-versa. En outre, la vitesse de montée en température influe également sur ces paramètres, une vitesse élevée (supérieure à 30 /S par exemple) permettant de réduire également le temps de maintien tm.
Le flan est ensuite transféré vers un outil d'emboutissage à chaud puis embouti. La pièce obtenue est ensuite refroidie soit dans l'outil d'emboutissage lui-même, soit après transfert dans un outil de refroidissement spécifique.
La vitesse de refroidissement est dans tous les cas contrôlée en fonction de la composition de l'acier, afin que sa microstructure finale à l'issue de l'emboutissage à chaud comprenne au moins un constituant choisi parmi la martensite et la bainite, afin d'atteindre le niveau de résistance mécanique recherché.
Le contrôle de la température Tm, du temps tm, de l'épaisseur du revêtement préalable et/ou de sa teneur en lanthane, en zinc et éventuellement en magnésium de telle sorte que la teneur moyenne finale en fer dans la partie supérieure du revêtement de la pièce soit inférieure à 75% en poids, de préférence inférieure à 50% en poids voire inférieure à 30% en poids, permet généralement que la pièce revêtue et emboutie à chaud présente une protection cathodique sacrificielle. Cette partie supérieure présente une épaisseur au moins égale à 5 μιη et généralement inférieure à 13 μιη. La proportion en fer peut par exemple être mesurée par spectrométrie de décharge luminescente (SDL).
En effet, sous l'effet du chauffage jusqu'à la température d'austénitisation Tm, du fer issu du substrat diffuse dans le revêtement préalable et augmente son potentiel électrochimique. Pour maintenir une protection cathodique satisfaisante, il est donc nécessaire de limiter la teneur moyenne en fer dans la partie supérieure du revêtement final de la pièce.
Pour cela, il est possible de limiter la température Tm et/ou le temps de maintien tm. Il est également possible d'augmenter l'épaisseur du revêtement préalable pour empêcher le front de diffusion du fer d'aller jusqu'en surface du revêtement. On préférera à cet égard utiliser une tôle présentant une épaisseur de revêtement préalable supérieure ou égale à 27 μιτι, de préférence supérieure ou égale à 30 μιη voire à 35 μιη. Pour limiter la perte de pouvoir cathodique du revêtement final, on pourra également augmenter les teneurs en lanthane et/ou en zinc et éventuellement en magnésium du revêtement préalable.
L'homme du métier est en tout cas à même de jouer sur ces différents paramètres, en tenant également compte de la nature de l'acier, pour obtenir une pièce d'acier revêtu durcie sous presse, et en particulier, emboutie à chaud présentant les qualités requises par l'invention.
Les exemples et figure qui suivent illustrent l'invention.
La figure représente l'extension de la rouille rouge en fonction du temps en heure pour chacun des 6 revêtements testés dans les essais.
Des essais de mise en œuvre ont été réalisés pour illustrer certains modes de réalisation de l'invention. Essais
Des essais ont été réalisés avec 4 échantillons tricouches, chacun étant constitué d'une tôle de 22MnB5 laminée à froid d'épaisseur 5 mm (1 ere couche), munie d'un revêtement obtenu au trempé à chaud d'épaisseur 1 mm et dont la composition est précisée ci-dessous (2eme couche), lui-même recouvert d'une seconde tôle de 22MnB5 laminée à froid d'épaisseur 5 mm (3eme couche).
Les 6 revêtements testés et comprenaient en % en poids :
- 2% de silicium, 10% de zinc, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables,
- 2% de silicium, 10% de zinc, 0,2% de lanthane, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables,
- 2% de silicium, 10% de zinc, 0,5% de lanthane, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables,
- 2% de silicium, 4% de zinc, 2% de magnésium, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables, et
- 2% de silicium, 4% de zinc, 2% de magnésium, 0,2% de lanthane, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables. - 2% de silicium, 4% de zinc, 2% de magnésium, 0,5% de lanthane, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables.
Différents tests de corrosion ont été effectués sur ce lot d'échantillons :
- un test de corrosion accéléré, permettant de simuler la corrosion atmosphérique 5 (test de corrosion cyclique VDA 233-102) ;
- des tests statiques en chambre climatique à 35 ou 50*C et 90% ou 95% d'humidité relative (RH). Les échantillons étaient aspergés de solution NaCI 1 % (pH 7) une fois par jour, et ce sur une durée totale de 15 jours. 0 Pour chacun de ces tests, des mesures d'extension de rouille rouge et électrochimiques ont été effectuées et sont fournies dans les tableaux ci-dessous.
Figure imgf000011_0001
La figure montre que l'extension de la rouille rouge est plus faible :
5 - avec un revêtement 2% de silicium, 10% de zinc, 0,2% de lanthane, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables par rapport :
- à un revêtement 2% de silicium, 10% de zinc, 0,5% de lanthane, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables, ou
- à un revêtement 2% de silicium, 10% de zinc, le reste étant constitué d'aluminium et 0 d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables,
- avec un revêtement 2% de silicium, 4% de zinc, 2% de magnésium, 0,2% de lanthane, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables par rapport : - à un revêtement 2% de silicium, 4% de zinc, 2% de magnésium, 0,5% de lanthane, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables, ou
- à un revêtement 2% de silicium, 4% de zinc, 2% de magnésium, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables.
La figure montre également que le revêtement à 0,2% de lanthane présente un courant de couplage galvanique avec l'acier beaucoup plus élevé que le revêtement sans lanthane ou à 0,5% de La. Ces résultats indiquent que le revêtement à 0,2% de lanthane est actif et sacrificiel, et apporte en conséquence une meilleure protection cathodique à l'acier.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle, le revêtement comprenant de 1 à 40% en poids de zinc, de 0,01 à 0,4% en poids de lanthane, et éventuellement jusqu'à 10% en poids de magnésium, éventuellement jusqu'à 15% en poids de silicium, et éventuellement jusqu'à 0,3% en poids, en teneurs cumulées, d'éventuels éléments additionnels, le reste étant constitué d'aluminium et d'éléments résiduels ou d'impuretés inévitables.
2. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon la revendication 1 , dont le revêtement comprend de 1 à 34% en poids de zinc.
3. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon la revendication 2, dont le revêtement comprend de 2 à 20% en poids de zinc.
4. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dont le revêtement comprend de 0,1 à 0,3% en poids de lanthane.
5. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dont le revêtement comprend de 0 à 5% en poids de magnésium.
6. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dont le revêtement comprend de 0,5 à 10% en poids de silicium.
7. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dont le revêtement comprend en tant qu'élément résiduel une teneur de 0 à 5% en poids de fer.
8. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dont l'acier comprend, en poids, 0,15%<C<0,5%, 0,5%<Mn<3%, 0,1 %<silicium<0,5%, Cr<1 %, Ni<0,1 %, Cu<0,1 %, Ti<0,2%, Al<0,1 %, P<0,1 %, S<0,05%, 0,0005%<B<0,08%, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables dues à l'élaboration de l'acier.
9. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, pour laquelle ledit revêtement présente une épaisseur comprise de 10 à 50 μιη.
10. Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon la revendication 9, pour laquelle ledit revêtement présente une épaisseur de 27 à 50 μιη.
1 1 . Tôle d'acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dont le revêtement est obtenu par trempé à chaud.
12. Procédé de fabrication d'une pièce en acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle comprenant les étapes suivantes, prises dans cet ordre et consistant à:
- approvisionner une tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 revêtue préalablement, puis à
- découper ladite tôle pour obtenir un flan, puis à
- chauffer ledit flan sous une atmosphère non protectrice jusqu'à une température d'austénitisation Tm comprise de 840 à 950^, puis à
- maintenir ledit flan à cette température Tm pendant une durée tm de 1 à 8 minutes, puis à
- emboutir à chaud ledit flan pour obtenir une pièce que l'on refroidit à une vitesse telle que la microstructure dudit acier comprend au moins un constituant choisi parmi la martensite et la bainite pour obtenir une pièce en acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle, - la température Tm, le temps tm, l'épaisseur du revêtement préalable et ses teneurs en lanthane, en zinc et éventuellement en magnésium étant choisis de telle sorte que la teneur moyenne finale en fer dans une partie supérieure du revêtement de ladite pièce en acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle soit inférieure à 75% en poids.
Pièce en acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle pouvant être obtenue par le procédé d'emboutissage à chaud selon la revendication 12.
Pièce en acier munie d'un revêtement à protection cathodique sacrificielle pouvant être obtenue par emboutissage à froid d'une tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 .
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