Aciers automobiles 1500 et 1700 MPa pour estampage à froid

Les véhicules électriques et le besoin d'excellentes performances aux crash-tests poussent vers des aciers plus résistants

Pour que l'industrie automobile réussisse à alléger les structures des carrosseries en améliorant leur résistance et donc avoir les meilleurs résultats au crash-tests, il est clair que les constructeurs vont développer leur utilisation d’aciers AHSS/UHSS à plus haute résistance. Le besoin de matières plus résistantes utilisées de façon innovante se fait surtout sentir pour les véhicules électriques, plus particulièrement pour supporter et protéger leur lourd bloc de batteries.

Depuis plusieurs années, les aciers à 1,5 GPa sont laminés pour réaliser des formes relativement simples pour les applications de caisse en blanc automobile. Mais aujourd’hui, les avancées systématiques dans les techniques d’emboutissage donnent aux concepteurs de caisses en blanc et aux ingénieurs de production la possibilité d’estamper à froid des aciers à 1,5 GPa pour obtenir des formes modérément complexes, plutôt que de recourir uniquement sur l’estampage à chaud

Avantages du formage à froid pour les aciers gigapascals

Les avantages du formage à froid :

1. Jusqu’à 28 % moins cher : Le formage coûte beaucoup moins cher à froid qu'à chaud, puisque les coûts d’exploitation sont nettement plus importants à chaud.
2. Et comme l'estampage à froid consomme moins d'énergie, l'empreinte CO₂ diminue d'autant.
3. Les aciers martensitiques disponibles présentent une plus large gamme de propriétés mécaniques que les aciers pour durcissement sous presse (PHS).
4. La qualité de surface finale des pièces martensitiques formées à froid est meilleure que celles des pièces estampées à chaud.
5. Aucun nettoyage supplémentaire (sablage) n'est nécessaire pour les pièces estampées à froid.
6. Les pièces estampées à froid peuvent être percées et découpées mécaniquement, tandis que les pièces durcies sous presse réclament des opérations laser plus coûteuses, pour éviter la fragilisation par l’hydrogène.
7. Les aciers martensitiques sont disponibles avec une protection cathodique contre la corrosion.
8. Les nuances d'acier martensitique font preuve de meilleures propriétés de soudage que les PHS en raison de leur faible teneur en carbone équivalent (Ceq ou C.E.).

Considérations relatives au formage à froid

1. Il n’est pas possible de former à froid des formes très complexes.
2. Le retour élastique et ses effets doivent être calculés, bien que dans ce domaine, les Japonais, comme d’autres, montrent que c'est possible  : voir la section suivante et la gestion du retour élastique plus bas.

Source : SSAB.

L'avance du Japon sur l’estampage à froid des aciers à 1,5 GPa

« Comparés au reste du monde, les fabricants japonais ont davantage poussé la mise au point de leurs matrices et outils pour supporter les forces plus importantes nécessaires pour les aciers à 1500 MPa, tout en contrôlant le retour élastique », note Hiroshi Kondo, consultant japonais en acier automobile depuis plus de 30 ans. « Tous les constructeurs automobiles japonais étudient désormais les aciers 1500 mégapascals pour l’emboutissage à froid. »

« Traditionnellement, les équipementiers japonais et leurs partenaires de rang 1 ont toujours été plus à l’aise avec l’emboutissage à froid qu’avec le laminage ou l’emboutissage à chaud », poursuit M. Kondo. « L’un des avantages de l’emboutissage à froid par rapport au profilage est que l’emboutissage donne plus de liberté quant à la géométrie de la pièce. »

« Et puis, il y a tous les avantages d'un procédé à froid plutôt qu'à chaud. Les facteurs clés pour les constructeurs japonais sont une consommation réduite d'énergie et la rapidité de l'opération. S'y ajoute bien évidemment aujourd'hui une empreinte CO₂ réduite. Tous ces éléments plaident pour un estampage à froid plutôt qu'à chaud ».

Quels composants automobiles peuvent être estampés à froid à 1,5 GPa ?

Pour les applications 1500M, les candidats potentiels à l’emboutissage à froid comprennent les poutres anti-intrusion latérales, les poutres de protection, les poutres transversales et leurs renforts.

« La plupart des bas de caisse, des renforts de bas de caisse, des traverses de plancher et certaines poutres de toit peuvent être laminés », explique Kenneth Olsson, spécialiste du développement commercial automobile chez SSAB. « Mais, en raison de leur forme, de nombreuses pièces ne peuvent pas être laminées. »

« Bien que l’emboutissage à chaud soit toujours possible », poursuit Olsson, « c’est une méthode plus chère et plus lente et, si vous chauffez vos fours avec des combustibles fossiles (comme le font la plupart des fabricants), vous émettrez du CO₂, ce qui va à l’encontre des objectifs d'éco-responsabilité des constructeurs automobiles. Ainsi, l’emboutissage à froid à des niveaux de résistance de 1500 MPa est un développement passionnant et relativement nouveau. »

Kenneth Olsson.

Essais convaincants d'aciers emboutis à froid à 1,5 GPa et 1,7 GPa

KIRCHHOFF Automotive a réussi l’estampage à froid de ce prototype de barre de protection latérale avec les nuances Docol^® 1500M et 1700M. Les photos du haut montrent les pièces formées, tandis que celles du bas présentent les pièces après un essai de pliage en trois points.

Pour certaines pièces automobiles, il est facile d'obtenir un résultat plus résistant

Cette barre de protection latérale, estampée à froid à partir d’acier Docol^® CR1150Y1400-MS-EG, a été testée avec succès dans une matrice de production en série conçue pour CR950Y1200T-MS-EG. Les experts en formage de SSAB pensent que la pièce pourrait être estampée à froid sans peine à partir de CR1220Y1500T-MS-EG.

Le formage à froid évite les pièges de la fragilisation par l’hydrogène

Après l’emboutissage à chaud, les fabricants doivent faire preuve d’une extrême prudence pour la découpe et le perçage, sous peine de provoquer des ruptures différées. Par conséquent, il faut généralement percer ou couper au laser les pièces estampées à chaud – et les outils laser sont plus compliqués et plus chers que les outils mécaniques conventionnels.

Avec le formage à froid, les poinçonneuses peuvent utiliser des outils de perçage et de découpe mécaniques conventionnels sans risque de rupture différée, même sur les aciers à 1,5 GPa. Les découpes et perçages mécaniques en ligne sont des procédés familiers, rapides et rentables pour les ateliers.

Gestion du retour élastique de l’emboutissage à froid dans les aciers à ultra haute limite d’élasticité

Les deux principaux avantages de l'estampage à chaud sont la possibilité à être façonné en formes très complexes et l'élimination du retour élastique. Mais les ateliers japonais, comme d’autres, ont mis au point une série de stratégies pour contrôler le retour élastique dans les pièces estampées à froid :

1. Simulations : les simulations de formage permettent aux concepteurs d’optimiser la géométrie de la pièce pour contrôler le retour élastique et améliorer la précision finale des composants estampés à froid.
2. Optimisation : elle comprend l’utilisation de lignes de pliage droites et de configurations d’angles (rayons).
3. Joncs de freinage : la forme et l’emplacement des joncs de retenue pour un meilleur contrôle du retour élastique.
4. Géométrie de matrice : passer d’un acier à limite d’élasticité plus faible à un acier à plus haute limite d’élasticité, comme CR1220Y1500T-MS, peut nécessiter quelques modifications de la géométrie de la matrice pour compenser un retour élastique plus important.
5. Outils : matériaux d’outillage améliorés, y compris au niveau de la résistance à l’usure et des revêtements, pour gérer les forces de matrice plus élevées.

Ce que disent d’autres experts sur l’emboutissage à froid des aciers UHSS

Les aciers martensitiques offrent une alternative formable à froid aux aciers emboutis à chaud, comme l’indique World Auto Steel sur sa page Internet consacrée à la martensite.

L’emboutissage à froid permet de prendre en compte différentes stratégies pour la matrice, ce qui peut réduire le retour élastique ou incorporer des caractéristiques de pièces impossibles à obtenir par laminage. L’emboutissage à froid des aciers martensitiques permet de faire bien autre chose que des formes plus simples aux courbes douces.

World Auto Steel montre une photo d’un montant extérieur central estampé à froid, avec un flan soudé précisément en CR1200Y1470T-MS comme partie supérieure et une partie inférieure en CR320Y590T-DP. Et ce n’est pas tout :

Une étude a déterminé qu’il existait une corrélation entre la limite d’élasticité de la tôle d’acier et la déformation par pliage en 3 points des pièces en forme de chapeau. Si l'on compare la limite élastique... Les performances de CR12001470T-MS sont semblables à celles de PHS-CR1800T-MB et PHS-CR1900T-MB estampés à chaud de même épaisseur. Elles vont au-delà de celle du PHS-CR1500T-MB souvent utilisé. C'est pourquoi il est possible de réduire les coûts et même le poids en essayant l'estampage à froid, à condition que la presse, le procédé et la matrice soient bien étudiés.

L’article poursuit en montrant un renfort de traverse estampé à froid, en production commerciale, fabriqué en acier martensitique 1500 MPa :

L’élévation variable de cette pièce, combinée à une section transversale non uniforme sur les bords extérieurs, aide à contrôler le retour élastique, mais rend le laminage beaucoup plus complexe à froid [contrairement à un emboutissage à froid].

L’article conclut par un exemple de renfort de toit central 1500T-MS formé à froid selon le procédé breveté Stress Reverse Forming™ pour une meilleure précision dimensionnelle grâce à une sensibilité réduite au retour élastique.

Comparaison de l’estampage à froid 1,5 GPa et de l’estampage à chaud 1,5 GPa

Précision : Sans retour élastique, les pièces durcies sous presse peuvent être très précises. Avec l’emboutissage à froid, une gestion complète du retour élastique est essentielle à la précision des pièces.
Forme de la pièce : L’emboutissage à chaud est idéal pour les formes de pièces très complexes, même si l’emboutissage à froid est en net progrès sur cet aspect.
Durée de cycle : L’emboutissage à froid est beaucoup plus rapide que le l'emboutissage profond.
Consommation énergétique : L’emboutissage à chaud exige un chauffage rapide (jusqu’à 900 °C) et un refroidissement rapide, ce qui n'est pas le cas de l’emboutissage à froid, lequel permet donc d’économiser de l’argent et de réduire les émissions.
Dégrossissage/perçage : Les pièces de 1,5 GPa PHS doivent être découpées et percées au laser pour éviter la fragilisation par l’hydrogène. D’autre part, les pièces estampées à froid à 1500 MPa peuvent être découpées mécaniquement et percées en ligne.

Photos fournies avec l’aimable autorisation de KIRCHHOFF Automotive.

Poutre de protection latérale 1400M, emboutie à froid dans une matrice conçue pour 1200M.

Laminage : toujours plus fort

Alors que l’emboutissage à froid de 1,5 GPa est relativement récent, les aciers UHSS laminés (à froid) sont courants depuis des années (dans d’autres endroits que le Japon). Et les concepteurs et les entreprises de rang 1 ont des applications de laminage de plus en plus élaborées, repoussant les limites des formes possibles.

Par exemple, Shape Corp. a conçu le profilage de l’acier Docol^® CR1350Y1700-MS-UC, puis son pliage 3D dans ce rail de toit pour une production en série sur les modèles Ford. Il en résulte un composant léger, économique et éco-énergiétique qui, avec ses parois plus fines, offre un champ de vision plus important aux occupants du véhicule.

Profilage 3D : une solution qui anticipe les problèmes ?

Le profilage tridimensionnel a été proposé comme alternative pour réaliser des géométries légèrement plus complexes en acier UHSS.

Les experts SSAB en performances aux crash-tests ont proposé l'option du profilage 3D en 1700M pour la protection des batteries dans le programme Docol^® EV Design Concept. Ici, la conception s’appuie sur des poutres laminées en 3D (« ondulées »), entrecroisées selon un motif de maille, pour obtenir une base du logement de batterie exceptionnellement solide, alors qu'elle est moitié moins haute que normalement dans une telle structure.

Les poutres bleues sous le plancher de la voiture sont la structure « maillée » du logement de batterie. Leur motif en croix de poutres laminées 3D en Docol 1700M réduit la hauteur du treillis d’un facteur de 2.

Dans quelle mesure Docol^® CR1220Y1500T-MS est-il formable à froid ?

Docol^® Martensitic 1500 MPa fait preuve de capacités améliorées pour le formage à froid, comme le démontre :

• un rapport d’emboutissage profond de 2,0,
• un rapport d’expansion de trou généralement à 40 %,
• une flexion garantie de 4,0*t,
• un laminage à froid garanti de 3,5*t.

Quelle est la prochaine étape pour le formage à froid de l’acier UHSS ?

SSAB suit attentivement l’introduction et le déploiement de nouvelles technologies de formage à froid, sachant que l’efficacité du formage à froid – avec un temps de prise plus court, des presses plus simples et une consommation d’énergie réduite – correspond bien aux objectifs des constructeurs automobiles en matière de simplification de la production, de réduction des coûts et d'éco-responsabilité.

Pour de meilleurs résultats, nous encourageons les concepteurs de composants de caisse en blanc à impliquer nos experts en formage dès le début du développement de votre produit. Contactez votre représentant Docol^® local pour décrire les objectifs et les ambitions de votre projet.