Comment expliquer l'engouement de la recherche automobile pour les aciers emboutis à chaud ?

Nous avons interrogé deux experts SSAB sur les aciers estampés à chaud pour en savoir plus sur :

• Les pièces de carrosserie pour lesquelles les constructeurs automobiles utilisent désormais des aciers au bore emboutis à chaud 1800 MPa et 2000 MPa.
• La liberté de conception offerte par les technologies de production PHS actuelles, y compris pour les composants « soft cell ».
• Les avantages (par exemple, meilleure précision de forme, géométries complexes des pièces) et inconvénients (coût, énergie, vitesse lente) de l’emboutissage à chaud.
• L’histoire du développement de l'acier Docol^® 2000 PHS.
• Comparaison des aciers UHSS : PHS contre martensitique.

Que pouvez-vous nous dire sur la nouvelle norme VDA pour l’acier estampée à chaud 1900MPa ?

Il s’agit d’une toute nouvelle norme, mais les constructeurs automobiles s'en servent déjà pour élaborer leurs propres normes. Dans la norme VDA, le nom de la nouvelle nuance PHS est CR1900T-MB-DS, ce qui correspond à la nuance Docol^® PHS 2000 de SSAB, d'une résistance à la traction de deux gigapascals, ou 2000 MPa.

C’est l’acier le plus résistant disponible actuellement. Où les concepteurs automobiles l’utilisent-ils ?

Il existe de nombreuses applications possibles, mais la protection des packs de batterie dans les véhicules électriques figure dans le haut de la liste. C'est en effet un endroit où aucune intrusion n’est permise, ce qui est particulièrement difficile à garantir en cas de collision latérale. Les constructeurs automobiles utiliseront donc de l’acier PHS 2000MPa pour les pièces de sécurité comme les longerons de plancher, entre les panneaux du bas de caisse, pour protéger la batterie des véhicules électriques.

Pensez-vous que le nouvel acier Docol^® PHS 2000MPa pourrait également servir à d’autres applications courantes de l'acier PHS 1500 MPa ?

Oh oui, PHS 2000 – et PHS 1800 – ne sont pas limités aux véhicules électriques : ils seront également utiles pour les voitures thermiques. Ils peuvent peut être utilisés partout où les concepteurs ont besoin ou d’une résistance maximale, ou d’une réduction du poids, possibles grâce à des épaisseurs plus fines.

Les montants A et B du véhicule sont les applications automobiles classiques pour les aciers au bore emboutis à chaud. Mais, l'acier PHS sert aussi pour les longerons de toit, les longerons latéraux, les traverses de toit et de tableau de bord, ainsi que le renforcement des portes, des montants et des planchers. Vous remarquerez que les conceptions actuelles de ces pièces embouties à chaud ont tendance à présenter des géométries extrêmement complexes. C'est le point fort des aciers PHS.

Un autre avantage des aciers estampés à chaud est qu’une seule pièce peut présenter différents niveaux de résistance –afin que cette pièce se comporte d’une manière spécifique pendant une collision, c'est bien ça ?

Oui. Une matrice d’emboutissage à chaud peut être segmentée pour mettre en œuvre différents procédés de trempe. Par exemple, pour créer une « soft cell » PHS, il ne faut pas tremper l’intégralité de la pièce. La partie couverte et non trempée aura un niveau de résistance inférieur qui donc pourra absorber beaucoup d'énergie en cas de choc. Le segment trempé de la pièce, d'une résistance à la traction plus élevée, résistera à des forces élevées. Ces dernières années, il y a eu beaucoup d'évolutions dans le développement de soft cells en acier PHS. Par exemple, fabriquer une soft cell pour la partie inférieure du montant B de la voiture.

Les découpes de flans permettent elles aussi un « comportement segmenté » pour une pièce en acier PHS, n’est-ce pas ?

Oui. Une découpe de flan peut être une tôle mince d’acier laminé à froid qui comporte des épaisseurs différentes sur sa largeur. Donc il est possible de spécifier quelles parties doivent être plus épaisses ou plus fines, en fonction des besoins finaux de la pièce et de la manière dont elle doit se comporter.

Une découpe de flan, soudée peut être encore plus élaborée : deux feuilles d'acier de PHS d’épaisseur différente peuvent être soudées ensemble, ou une feuille d’acier PHS peut être soudée à une feuille d’acier non PSH.

C'est cette diversité qui permet la « liberté dans la conception » du PHS.

Imaginez : vous prenez un acier au bore, vous le chauffez et l'emboutissez à 900 °C. À cette température, vous emboutissez à chaud le PHS en formes très complexes avec des sections profondes. Ainsi, avec cette latitude, les concepteurs automobiles peuvent faire preuve de créativité pour élaborer les pièces. Ils peuvent peut-être tirer parti de la haute résistance à la traction de l'acier PHS pour obtenir des pièces plus légères. Ou alors, ils peuvent réduire le nombre de pièces – et les consolider. Cette grande latitude peut aussi aboutir à des pièces plus performantes pour les crash tests.

Les pièces embouties à chaud peuvent présenter des formes plus précises au final, non ?

Eh bien, l’argument classique en faveur de l’acier traité thermiquement est qu'il y a très peu, voire pas du tout de retour élastique ce qui devrait permettre d'obtenir des formes précises. Cette idée est fortement ancrée pour beaucoup de gens, surtout que les résistances à la traction des aciers AHSS sont de plus en plus fortes et que le retour élastique peut donc augmenter.

Mais, d’un autre côté, nous travaillons à vraiment comprendre – et par là mieux prédire et contrôler – le retour élastique dans les pièces de voiture formés à froid, même pour des aciers gigapascals ?

Bien entendu, beaucoup de choses dépendent des plans de votre pièce : plutôt que de partir du principe que vous avez intérêt à payer plus cher et utiliser des aciers PHS pour éviter le retour élastique, parlez-en à votre fournisseur d’acier AHSS dès les premières études. De nombreuses pièces, moyennant de légères modifications des plans et une séquence adéquate des étapes de production, peuvent être formés à froid pour un résultat aux formes très précises.

L’acier Docol^® PHS 2000 est n'est pas tout à fait comme les autres, car il a été développé à l’origine pour un client, n’est-ce pas ?

Oui. Nous travaillons toujours en étroite collaboration avec nos clients. Mais, dans ce cas précis, le client, Gestamp, nous a contactés avec une demande très spécifique : « Pouvez-vous développer un acier durci sous presse d'une résistance à la traction de 2000 mégapascals, mais avec une ductilité de 22MnB5 (résistance à la traction de 1500 MPa) ? Nous voulons l’utiliser pour essayer de mettre en œuvre un pare-chocs plus léger. » Comme l'intérêt d’un acier à 2000 MPa ne pouvait que se confirmer pour d’autres pièces de sécurité, nous avons répondu oui.

Et développer un acier estampé à chaud présente des difficultés particulières n’est-ce pas ?

C’est exact. Comme vous le savez, avec les aciers durcis sous presse, le fabricant développe les propriétés mécaniques finales de l’acier à mesure qu’il le chauffe, le façonne, puis le trempe. De nombreux facteurs entrent en jeu : Pendant combien de temps l’acier est-il mis à chauffer dans le four et à quelle température ? Quels sont les agents de refroidissement qui interviennent ? Quelle est la pression de contact entre l’outil et la matière ?

Et tous ces processus d’emboutissage à chaud des équipementiers et fournisseurs de rang 1 sont propriétaires – chacun peut traiter l’acier PHS différemment. Gestamp ne partage même pas ses méthodes d'estampage à chaud avec nous ! (rires) Mais il nous fallait créer un acier PHS 2000 qui puisse convenir à plusieurs constructeurs automobiles. C’était donc assez difficile.

Pour que le PHS 2000 atteigne les niveaux de ductilité attendus, SSAB n'avait pas d'autres choix que de travailler la composition chimique de l’acier et les systèmes de traitement de nos aciéries. Il fallait aussi indiquer aux clients les températures de chauffe et la vitesse de refroidissement recommandées – la vitesse de refroidissement minimale nécessaire pour obtenir la microstructure martensitique de l’acier et, par conséquent, sa résistance ultime à la traction.

Et qu'a fait Gestamp ?

Ils ont testé nos matières avec leurs outils de durcissement sous presse. Leurs retours et leurs tests ont été extrêmement précieux, car nous avons fait plusieurs itérations pour cet acier PHS 2000. Travailler aussi étroitement avec eux nous a fait progresser et la réciproque est vraie.

Quel a été le résultat ?

Le pare-chocs en acier Gestamp PHS 2000 est 17 % plus léger et reste rentable. Gestamp et SSAB ont tous deux remporté un prix.

Comparaison rapide des aciers à ultra-haute résistance

	Acier pour durcissement sous presse (PHS)	Acier martensitique (MS)
Processus de formage des pièces	Estampage à chaud	Formage à froid
Résistance à la traction maximale	2000 MPa	1700 Mpa
Liberté de concevoir des pièces complexes (sections profondes ou autres)	Très élevé : à 900 °C, les pièces sont facilement formées en géométries complexes	Des conceptions complexes peuvent devoir être modifiées pour les techniques de formage à froid
Retour élastique	Fortement réduit ou éliminé	Doit être prédit et contrôlé
Précision finale de la forme	Très bonne	Très bien quand le retour élastique est correctement géré
Outillage	Bien plus cher	Moins cher
Temps de production	Bien plus lent	Bien plus rapide
Consommation d’énergie/empreinte CO2 du formage	Très élevée	Inférieure
Coût total de la pièce	Plus élevée	Inférieure
Popularité (% de carrosseries)	Croissance	Croissance