Soutenance mémoire
L’allègement des véhicules par l’utilisation d’aciers haute résistance pour réduire les émissions polluantes
Un contexte réglementaire contraignant
Les constructeurs automobiles font face à des défis croissants pour réduire les émissions polluantes de leurs véhicules tout en ayant des coûts de développement et de production acceptables. Cette volonté s’inscrit aussi dans un contexte réglementaire européen contraignant. En effet, les normes EURO 5 et 6 définissent le cap quant aux objectifs de rejets polluants [UE2007 ; UE2009 ; UE2014a ; UE2014b]. Les constructeurs automobiles ont donc majoritairement deux solutions complémentaires pour répondre à ces attentes [Appert2014] :
— travailler sur les motorisations (diminution des cylindrées des moteurs thermiques, introduction de systèmes stop and start, hybridation, motorisation électrique).
— diminuer la masse des véhicules.
Sur ce dernier point, depuis 1953 jusqu’en 2007, la tendance était à la hausse [Amiot2014 ; Preveraud2014] passant en moyenne de 846 kg à 1293 kg . En outre, les réglementations sur la sécurité des véhicules sont de plus en plus exigeantes [Amiot2014] et les automobilistes souhaitent aussi avoir des équipements de confort [Preveraud2014]. Avoir dans sa voiture, un autoradio, la climatisation, la direction assistée et l’ABS (« Auto Braking System »), semble aujourd’hui indispensable. Néanmoins, tous ces équipements ont pour conséquence d’augmenter le poids des véhicules et donc leur consommation…
Utilisation des aciers à haute résistance pour la fabrication de pièces de structure automobiles
Une solution intuitive pour diminuer la masse du véhicule serait d’utiliser des matériaux « légers » [Amiot2014 ; Preveraud2014]. La figure 1.1 présente la part de chaque famille de matériau dans la masse d’un véhicule d’environ une tonne [ADEME2014]. Traditionnellement, les matériaux utilisés dans l’automobile grande série sont des aciers pour la structure (70 % de la masse totale), des alliages d’aluminium pour les carters d’ensembles mécaniques (moteurs, boite de vitesse, ouvrants et certains extérieurs de carrosserie selon Hirsch [Hirsch2004]), des alliages de cuivre pour les câbles électriques (soit 5 % de métaux non ferreux), des matières plastiques pour les pare-chocs, les tableaux de bord et les blocs optiques (14 %), des tissus pour les habillages intérieurs (2 %) et des céramiques pour les pare-brises et lunettes arrières (3 %). Pour ce qui est des structures et des carrosseries, selon Amiot [Amiot2014], le paradigme est en train de changer puisque certains constructeurs développent des solutions en matériaux composites (BMW i3 et i8 ) ou en alliage d’aluminium (Ford F150, Audi A8 [Hirsch2004]). Ces deux concepts venant du sport automobile, bien que naturellement adaptés, présentent néanmoins des inconvénients majeurs.
Dans le premier cas, la filière de recyclage reste à développer, les cadences industrielles ne sont pas compatibles avec celles de l’automobile, les matériaux ne se déforment pas en cas d’accident ce qui diminue la survivabilité et en cas de simple accrochage il est difficile de réparer les pièces endommagées. Le second cas, semble beaucoup plus accessible et dans la tradition des métiers d’emboutissage du secteur automobile. Mais, le prix de la matière première est important en comparaison aux aciers. De plus, la rigidité des véhicules pour des épaisseurs de tôle comparables à celles des tôles d’acier est, par essence, remise en cause. Pour avoir des performances comparables, il faut donc augmenter les épaisseurs des tôles d’aluminium ce qui augmente les coûts de la matière première pour une diminution de la masse du véhicule peu significative.
Aussi, pour répondre à la problématique des coûts de production, une uniformisation de la structure des véhicules par l’utilisation de plateformes permet non seulement à un constructeur de fabriquer des véhicules de gammes différentes, mais aussi de fabriquer des véhicules de marques différentes (donc avec des lignes de carrosserie différentes) sur la même « base » [Ducamp2014].
Une solution de mise en forme des aciers à haute résistance : l’emboutissage à chaud
Emboutissage à chaud des aciers trempants au bore manganèse
Le premier brevet concernant l’emboutissage à chaud d’acier dans les outillages de presse a été déposé par la société Norrbottens Järnverk AB basée à Lulea en Suède en 1974 [Norrbottens Järnverk1974]. Ce brevet décrit une méthode de fabrication de pièces d’acier d’une épaisseur inférieure à 3 mm capable de limiter les amincissements en tout point de la pièce à 25 % de l’épaisseur initiale tout en lui assurant un durcissement par la formation d’une structure soit bainitique, soit martensitique. Les aciers concernés par cette méthode sont soit des aciers au bore, soit des aciers au manganèse. Selon ce brevet [Norrbottens Järnverk1974], la tôle doit être chauffée au-dessus de la température de fin d’austénitisation (AC3), c’est à dire, préférentiellement entre 775 ◦C et 1000 ◦C pour obtenir une microstructure austénitique. Ce brevet prévoit de former les tôles soit par une opération de pressage, soit d’estampage, soit d’extrusion, soit de formage par explosion. L’opération de mise en forme préférentiellement sous presse entre deux outils doit se faire en moins de 3 s de manière à former la tôle avant que la transformation microstructurale et le durcissement associé ait lieu. Après l’étape de formage, la tôle reste entre les outils pour assurer son refroidissement rapide et donc la transformation de l’austénite en martensite ou en bainite. Le refroidissement est donc dépendant des courbes de refroidissement continu de l’acier. Le refroidissement peut être assuré soit par le contact des outils, soit par des moyens de refroidissement directement appliqués à la tôle. D’après ce brevet, cette méthode de fabrication permet de produire des pièces ayant un bon compromis entre la résistance mécanique et la ténacité nécessaire à l’absorption de chocs. Ces pièces sont principalement destinées aux structures de véhicules. Les aciers au bore présentent une bonne soudabilité, une limite d’élasticité supérieure à 1177 MPa (le brevet indique 120 kp/mm2 ) et une élongation à rupture d’environ 10 %. Le brevet stipule aussi que l’ajout de bore à un acier au manganèse permet l’obtention après traitement d’une microstructure fine de bainite diminuant son caractère fragile ce qui est intéressant pour les applications visées.
La nuance de tôle de l’étude 22MnB5
En 2001, l’entreprise Sollac (devenue ArcelorMittal en 2006) dépose un brevet pour une nuance d’acier trempant au bore manganèse [Laurent+2001]. L’objectif est d’utiliser cette nuance pour la fabrication de barres antichocs, renforcements de portière, pieds milieu, etc. La particularité de cette tôle est qu’elle possède après trempe une limite d’élasticité supérieure à 1200 MPa et une limite à rupture de 1500 MPa. De plus, cette tôle est pourvue d’un revêtement composé d’aluminium, silicium et fer permettant d’éviter la corrosion et la décarburation de la tôle lors de la mise en forme à chaud. Cette nuance d’acier 22MnB5 revêtue est connue sous le nom commercial USIBOR 1500 ®. C’est la nuance qui est étudiée dans cette thèse.
Un projet de recherche pour lever les verrous de l’emboutissage à chaud : le projet PRICECAT
Bien que connu depuis une quarantaine d’années, l’emboutissage à chaud des aciers n’a fait l’objet de revues scientifiques que récemment et les études portent principalement sur la nuance 22MnB5. Les recherches se sont focalisées sur le comportement mécanique, thermique et métallurgique de cet acier et le choix des « bons » paramètres d’emboutissage pour avoir des pièces fonctionnelles et notamment à gradient de propriétés [Karbasian+2010 ; Bruschi+2014 ; Merklein+2015]. Comme évoqué précédemment, l’emboutissage à chaud de tôles pré-alliées (revêtement déjà déposé) se déroule en quatre étapes (figure 1.4) :
— l’austénitisation, c’est à dire la chauffe de la tôle à la température d’austénitisation (à 900 ◦C pendant 5 min [Merklein+2015])
— le transfert sous la presse
— l’emboutissage et la trempe qui correspondent à la mise en forme de la tôle et au refroidissement dans les outils de presse
— le découpage (détourage, poinçonnage) Le procédé de découpage mécanique consiste à séparer en deux une tôle dans un plan orthogonal à celui de la tôle par contact avec deux outils générant le cisaillement nécessaire à sa rupture. Selon Maillard [Maillard2009], le terme découpage est général. En réalité, il regroupe plusieurs opérations qui sont définies selon Maillard [Maillard2009] par la géométrie de la forme à produire suivant qu’il s’agit d’un contour ouvert (cisaillage) ou fermé (poinçonnage).
Chacune des étapes précédemment décrites fait l’objet d’un verrou technologique qui limite l’emboutissage à chaud à la fabrication de pièces de géométries « simples » et aux véhicules haut de gamme. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du contrat PRocédé Industriel Compact d’Emboutissage des Aciers Trempant porté par ArcelorMittal, intégré au programme MATériaux et PROcédés (2013) et financée par l’Agence Nationale de la Recherche qui vise à lever ces verrous (référence du projet: ANR-13-RMNP-0009). Les acteurs du projet sont issus du monde industriel (ArcelorMittal, SREM technologies et SMP) et du monde académique (IRDL de l’Université de Bretagne Sud à Lorient et ARMINES-ICA à Albi).
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Table des matières
1 Introduction générale
1.1 L’allègement des véhicules par l’utilisation d’aciers haute résistance pour réduire les émissions polluantes
1.1.1 Un contexte réglementaire contraignant
1.1.2 Utilisation des aciers à haute résistance pour la fabrication de pièces de structure automobiles
1.2 Une solution de mise en forme des aciers à haute résistance : l’emboutissage à chaud
1.2.1 Emboutissage à chaud des aciers trempants au bore manganèse
1.2.2 La nuance de tôle de l’étude 22MnB5
1.3 Un projet de recherche pour lever les verrous de l’emboutissage à chaud : le projet PRICECAT
1.3.1 Premier verrou : optimisation de la chauffe du flan
1.3.2 Second verrou : validation des cycles thermomécaniques subis par la pièce
1.3.3 Troisième verrou : compréhension des mécanismes de dégradation des lames de découpage à chaud
1.3.4 Quatrième verrou : conception d’un outil multi-étapes
1.4 Problématiques du découpage à chaud
1.5 Objectifs industriel et scientifique de cette thèse
1.6 Démarche scientifique adoptée
2 État de l’art sur la dégradation des outillages de découpage à chaud
2.1 Généralités sur l’opération de découpage
2.1.1 Définition d’une opération de découpage à chaud
2.1.2 Description d’une lame de découpe
2.1.3 Définition de la qualité des pièces découpées
2.1.4 Evolution de l’effort de coupe en fonction du temps et du déplacement de l’outil
2.2 Influence des paramètres de l’opération sur l’effort maximal de coupe et la qualité des pièces produites
2.2.1 Influence de la température initiale de la tôle
2.2.2 Influence du jeu inter lames
2.2.3 Influence de la vitesse de descente de la lame
2.2.4 Influence des angles de vague et de positionnement
2.3 Matériaux d’étude
2.3.1 Les nuances de matériaux d’outils X38CrMoV5 et X70CrMoV5-2
2.3.2 Le matériau de tôle 22MnB5 revêtu Al-Si
2.4 Comportement à l’interface tôle/outil
2.4.1 Valeurs du coefficient de frottement
2.4.2 Transfert thermique
2.5 Evaluations des contraintes et des températures dans les lames basées sur la simulation numérique éléments finis
2.5.1 Modélisation et simulation par la méthode des éléments finis de l’opération de découpe
2.5.2 Validation du comportement de la tôle
2.5.3 Estimation du champ de contraintes mécaniques et des températures dans les outils
2.5.4 Estimation du volume usé par l’introduction de la loi d’Archard sur des outils rigides
2.6 Dégradations observées sur les outils de découpe
2.6.1 Découpe à température ambiante d’aciers doux
2.6.2 Découpe à température ambiante de tôles d’acier 22MnB5 martensitique
2.6.3 Découpage à chaud de tôles épaisses en acier
2.7 Indicateurs expérimentaux de la cinétique d’usure d’un outil de découpe
2.7.1 Approche basée sur la géométrie de l’arête de coupe
2.7.2 Approche basée sur la qualité des pièces produites
2.7.3 Approches de l’usure basées le suivi d’un indicateur établi à partir courbe d’effort de coupe / déplacement de l’outil
2.8 Conclusions de l’état de l’art
3 Présentation des moyens d’essais et d’analyse de l’usure des lames de découpage à chaud
3.1 Moyen d’essais de découpage à chaud en cadence
3.1.1 Modules composant le moyen d’essais de découpage
3.1.2 Description du module de découpage
3.1.3 Description de la chaine d’acquisition des mesures
3.1.4 Description d’un cycle de découpage à chaud
3.1.5 Points limitant la performance du moyen d’essais
3.2 Moyens d’observation des dégradations pour l’identification de leurs mécanismes
3.2.1 Observations des dégradations par microscopie électronique à balayage
3.2.2 Mesures de microduretés dans l’arête de coupe
3.3 Moyens d’estimation de la cinétique d’usure des arêtes de coupe
3.3.1 Indicateurs expérimentaux de la cinétique de dégradation de l’arête de coupe
3.3.2 Moyen de mesure du profil de l’arête de coupe par topomicrographie
3.3.3 Estimation de la hauteur de bavure d’une tôle découpée
3.4 Conclusions de la présentation des moyens d’analyse de l’usure des lames de découpage à chaud
4 Conclusion générale
