Le chemin pris par les AHSS martensitiques dans l’industrie automobile

Que faut-il savoir pour un concepteur automobile sur les évolutions de la fabrication, du formage et de la mise en œuvre des aciers martensitiques ?

Notre entretien avec Kenneth Olsson, 40 ans d’expérience dans l’industrie sidérurgique, couvre :

  • Véhicules électriques sur batterie pour les nuances martensitiques plus épaisses (jusqu’à 4 mm).
  • Nouvelles technologies d’emboutissage à froid (au lieu du profilage) qui ouvrent la voie à des géométries 3D en acier martensitique à 1500 MPa.
  • Comment les constructeurs automobiles s'appuient de plus en plus sur le formage à froid martensitique, remplaçant certaines applications en acier PHS et DP à haute résistance ?
  • La demande actuelle est-elle suffisante pour développer un acier martensitique de 1900 MPa ?

Kenneth Olsson travaille chez SSAB depuis 35 ans, dont 10 ans pour le développement de produits en acier martensitique et autres nuances d’acier AHSS. Kenneth est actuellement le spécialiste du développement commercial automobile pour SSAB.

Comment SSAB est-il devenu le premier fabricant automobile à proposer un acier avancé à haute limite d’élasticité (AHSS) ?

Cela tient au fait que nous étions la première aciérie européenne à investir dans une ligne de recuit continu. Nous avons décidé d’utiliser la technologie de recuit japonaise, qui était à l’avant-garde à cette époque. Grâce à une trempe à l’eau, notre ligne de recuit continu a une vitesse de refroidissement très élevée et produit facilement des aciers martensitiques. Pendant de nombreuses années, nous avons été la seule aciérie d’Europe à pouvoir développer et produire ces nuances. Nous sommes vraiment des pionniers de l'acier martensitique.

Quelles ont été les réactions des constructeurs automobiles face au nouvel acier martensitique ?

Le marché était très réticent, car cet acier était tout nouveau. Pour l'acier martensitique, il y avait un producteur américain et SSAB. Et c’est tout. La première fois qu'un acier martensitique SSAB a été mis en œuvre, c'était pour des convoyeurs à bande hautement résistants à l’usure utilisés, par exemple, par des biscuiteries Il a ensuite été servi dans des chaussures de sécurité, pour protéger les orteils.

Des coques de chaussures et des convoyeurs pour petits gâteaux ?

Au début, oui. Ensuite, environ trente producteurs d’acier dans le monde ont travaillé ensemble à un objectif commun : rendre les voitures plus légères et plus sûres. Le projet Ultralight Steel Auto Body, ou ULSAB, a vraiment aidé à faire progresser l’utilisation des aciers AHSS, dont les aciers martensitiques, dans le secteur automobile. Nous avons démontré comment ils pouvaient améliorer les performances en cas de collision, réduire le poids et être finalement vraiment rentables.

Certains constructeurs automobiles se sont-ils montrés réticents à utiliser l'acier martensitique en raison de leurs inquiétudes quant à son aptitude au formage ?

Oui. La première nuance martensitique de SSAB avait une résistance à la traction de 1400 mégapascals (MPa) et une limite d’élasticité de 1150 MPa. La tâche que SSAB s'est fixé pour les aciers avancés à haute résistance est vraiment double : d’une part, nous devons comprendre comment fabriquer ces aciers robustes et légers et, d’autre part, nous devons expliquer à nos clients – équipementiers automobiles et fournisseurs de rang 1 – comment simuler des conceptions en AHSS, puis mettre la matière en forme et assembler.

Quelles étaient les préoccupations des constructeurs automobiles sur l’assemblage des aciers martensitiques ?

En fait, la composition de l’acier martensitique Docol® est réduite, sans être totalement exempte d'alliages et de carbone. Il faut donc régler ses paramètres de soudage en conséquence. Vous devez également comprendre comment, par exemple, obtenir des soudures par points ductiles avec un acier martensitique. Les aciers martensitiques Docol rivalisent, dans une certaine mesure, avec les aciers emboutis à chaud (PHS), qui, eux aussi,présentent des caractéristiques de résistance ultra élevée (UHSS). Mais, les aciers PHS contiennent plus d’alliages et de carbone, ce qui complique leur soudage par rapport à un acier martensitique Docol.

SSAB a décidé de se concentrer sur l'acier martensitique formé à froid, n’est-ce pas ?

Oui. Mais, bien entendu, SSAB propose également des aciers emboutis à chaud. Oui, parce que certains constructeurs automobiles savent travailler des aciers emboutis à chaud, alors nous leur offrons ce qu'ils attendent avec plaisir. Mais, les aciers emboutis à chaud doivent être chauffés à 900 °C, soit dans la ligne de presse soit dans un four avant passage dans la ligne de presse. Ensuite, vous les emboutissez à chaud, puis vous devez tremper la pièce dans la ligne. Produire un acier PHS est donc clairement plus complexe, plus lent, plus onéreux et demande plus d'énergie que produire des composants martensitiques en formage à froid, pour des performances de haute résistance similaires.

Alors, pourquoi certains équipementiers préfèrent-ils l’emboutissage à chaud plutôt que le formage à froid ?

Quand le PHS est à 900 °C, il est très tendre et donc très facile à former. L'acier PHS obtient sa microstructure martensitique pendant son estampage à chaud. D'un autre côté, SSAB est convaincue que le traitement thermique rigoureusement contrôlé et effectué dans nos aciéries présente des avantages. Nous envoyons nos bobines martensitiques traitées thermiquement au client et il lui suffit de les estamper à froid à température ambiante. Il y a donc moins d'opérations de traitement pour le client. Par contre, comme pour tout acier à haute limite d’élasticité, le formage à froid d'un acier martensitique exige de prévoir et de maîtriser un retour élastique. Mais, là-dessus, nous pouvons assister nos clients.

Kenneth Olsson
Kenneth Olsson spécialiste du développement commercial automobile chez SSAB.

Pour revenir à l'historique, il faut se souvenir que la première nuance martensitique 1400 MPa a été lancée par SSAB en 1993. Qu'est-ce qui a décidé SSAB à étendre la gamme martensitique à d’autres nuances et d'autres résistances ?

Après l'acier 1400 M, SSAB a lancé le 1200 M. Aux États-Unis, General Motors a joué les précurseurs en fabriquant certaines pièces laminées, comme les renforts de pare-chocs, les barres de protection latérales et certains composants des structures de siège, en acier martensitique. Mais GM, puis Ford et Chrysler, voulaient des résistances à la traction de 900 MPa, 1100 MPa, 1300 MPa, 1500 MPa et, au final, 1700 MPa. SSAB s'est alors adaptée pour répondre à ces besoins. Notre dernière nuance, un acier martensitique de 1700 MPa, est par exemple utilisée par Shape Corporation pour fabriquer le longeron de toit du Ford Explorer 2020.

Est-ce que SSAB compte aller encore plus loin en résistance martensitique ?

Nous avons pu développer une nuance d’acier martensitique de 1900 MPa formable à froid, mais il faudrait qu'il y ait une demande. Certains clients nous parlent déjà d’un 1900M. Mais, il faut comprendre comment les aciers AHSS sont intégrés par le secteur. Nos nuances martensitiques actuelles ont été développées il y a plusieurs années. Il peut falloir un certain temps pour que les normes des équipementiers et les normes régionales, comme celles de la Verband der Automobilindustrie (VDA) en Allemagne, et de la Société des Ingénieurs de l'Automobile (SIA), aux États-Unis soient établies pour chaque nuance. C'est lorsque des normes sont finalement établies pour une nuance particulière que les clients ont suffisamment confiance pour l'utiliser.

Quel serait la motivation principale des constructeurs automobiles ou fournisseurs de rang 1 pour vouloir un acier martensitique de 1900 MPa ?

C'est bien évidemment le gain de poids. Pour autant, je ne m’attends pas à ce qu'on produise un acier 1900M dans les deux prochaines années, alors qu'un acier à 1700M est tout juste adopté, par les clients et par les normes. Actuellement, l’accent est mis sur le 1500M, habituellement laminé pour des profils droits ou incurvés. 

Existe-t-il d’autres façons de former des pièces automobiles à partir d’acier martensitique à 1500 MPa ?

Oui. Les Japonais – qui ont tendance à préférer l’emboutissage à froid au laminage – ont mis au point une nouvelle technique d’emboutissage à froid pour les aciers à plus haute résistance. C’est un grand pas en avant. Au lieu de produire des profils simples, droits ou courbes réalisés par laminage, on peut obtenir un profil en trois dimensions estampé à froid. Je pense que tous équipementiers japonais cherchent désormais à intégrer des composants estampés à froid en acier 1500 MPa dans les véhicules en cours de développement.

Quel type de composants martensitiques pourriez-vous estamper à froid alors qu'il n'est pas possible de les laminer ?

Le renfort du montant B, par exemple, a une forme difficile à laminer. Typiquement, le renfort articulé de ce montant a une géométrie 3D qui peut être estampée à froid, mais pas laminée.

Faut-il que SSAB prévoit un acier Docol 1500M plus compatible avec l’emboutissage à froid ?

Oui, nous aurons probablement d’une version légèrement modifiée. Pour un laminage, il vaut mieux prévoir une limite d’élasticité plus élevée que la résistance à la traction. Mais pour l’emboutissage à froid, il vaut mieux avoir une limite d’élasticité plus faible, pour contrôler le retour élastique de la partie incurvée de la pièce qu'on forme.

De toute évidence, il est essentiel que SSAB comprenne exactement la méthode envisagée par le client pour former nos aciers.

Oui. C’est la raison pour laquelle nous encourageons systématiquement nos clients à nous faire participer dès les premières ébauches de leur conception, de sorte que nous puissions mieux répondre à leurs préoccupations et à leurs besoins. Par exemple, certains constructeurs automobiles se sont montrés frileux dans leur utilisation des aciers martensitiques, en particulier pour l’acier martensitique électrozingué, en raison de leur peur de ruptures différées, également connues sous le nom de fragilisations par hydrogène. L' acier martensitique électrozingué produit par SSAB présente pourtant un avantage unique. Nous démarrons par une composition d’acier plus pauvre, puis nous contrôlons très précisément le processus de galvanisation pour éviter tout risque de rupture différée. Notre technologie est parfaitement sûre et éprouvée.

Comment l’acier martensitique peut-il concurrencer l’aluminium dans la conception automobile ?

L’aluminium a eu beaucoup de succès chez les équipementiers fabriquant des voitures de luxe. Mais, même dans ce cas de figure, on trouve en général une association d’aluminium et d’acier avancé à haute résistance, comme un acier martensitique. En fait, une carrosserie optimisée est probablement une combinaison d’aluminium pour les parties exposés – qui n’absorbent pas l’énergie des chocs – et d’acier AHSS, aussi résistant que possible, pour les pièces qui doivent pouvoir absorber les chocs et l’énergie.

Et pour les voitures pour Monsieur tout le monde, celles produites en masse ?

Avec les aciers AHSS, vous pouvez sensiblement arriver au même poids qu'avec l’aluminium, mais pour un coût moitié moins cher. Pour les modèles de voiture conçus pour être bon marché, les équipementiers s'appuient de plus en plus sur les aciers AHSS, quel que soit le modèle.

En quoi l’acier martensitique Docol fabriqué SSAB est différent de celui d'un autre fabricant ?

Notre longue expérience dans le développement et la production d’aciers martensitiques nous a permis de perfectionner nos méthodes techniques, comme de refroidir aussi vite que possible, ce qui nous permet d'avoir une composition vraiment très pauvre en alliages. La composition chimique des aciers martensitiques Docol comprend nettement moins d'éléments que celle de la plupart de nos concurrents, ce qui facilite le soudage et le rend plus résistant aux ruptures différées Comme je l’ai déjà indiqué, nos nuances d’acier martensitique zingué Docol sont reconnues pour répondre à ces problèmes de rupture différée. SSAB emploie de nombreux spécialistes plus que qualifiés pour le développement de produits et de notre centre de compétences (Knowledge Service Center), qui existe pour que nos clients puissent comprendre comment utiliser les aciers martensitiques. Nous expliquons par exemple comment faire des simulations de formage pour des pièces de voiture. Ou comment souder de l'acier martensitique.

Comment les constructeurs automobiles font-ils évoluer leurs méthodes de traitement des aciers martensitiques ?

Certains équipementiers habitués aux aciers à double phase, jusqu’à 1000 MPa, passent directement à l’emboutissage à chaud pour des résistances supérieures – mais ils essaient à présent d’estamper à froid sur des aciers martensitiques.

D'autres évolutions sont-elles prévues pour l'acier martensitique Docol ?

Nous avons déjà parlé de niveaux de résistance plus élevés – mais une autre manière d’obtenir des améliorations consiste à rendre les nuances martensitiques plus épaisses. Notre acier martensitique, laminé à froid et recuit en continu, a une épaisseur maximale de 2,1 mm. Avec notre nouvelle ligne de refroidissement installée dans notre laminoir à chaud, nous pouvons également produire des aciers martensitiques laminés à chaud, trempés directement pendant le laminage à chaud, avec des épaisseurs jusqu’à 4 mm. L'acier martensitique Docol de 1200 MPa en épaisseur de 4 mm est désormais disponible à la vente. Par ailleurs, nous développons une nuance 1500M laminée à chaud plus épaisse.

Coffre de toit Shape pour Ford
Longeron de toit Shape pour Ford.
Longeron de pare-chocs MonoLeg par Shape
Longeron de pare-chocs MonoLeg par Shape

Comment les concepteurs automobiles pourraient-ils utiliser ces nouvelles tôles d'acier martensitique Docol, plus épaisses ?

Dans une voiture tout électrique, le véhicule, la batterie et son boîtier de protection peuvent peser jusqu’à 800 kilogrammes. Ces voitures électriques ont donc besoin de longerons de protection plus robustes. Et pour renforcer la résistance des véhicules électriques, on peut soit augmenter la résistance de l’acier, soit augmenter son épaisseur, ou les deux.

Auriez-vous d’autres applications pour un acier martensitique plus épais ?

Le nouvelles réglementations de sécurité sont plus strictes en cas de chocs. Ce nouvel acier martensitique plus épais pourrait servir pour les pare-chocs, par exemple. Ceci étant, c'est surtout le poids très lourd des véhicules électriques qui pousse à adopter des nuances martensitiques en tôles plus épaisses – toutes les pièces de voiture susceptibles d'absorber des chocs doivent être plus robustes. Par conséquent, les conceptions de certains composants vont demander des nuances d'acier martensitique plus résistantes (à la traction) dans nos épaisseurs actuelles, qui vont jusqu’à 2,1 mm. D’autres conceptions pourront évoluer grâces à des tôles martensitiques plus épaisses (jusqu’à 4 mm d’épaisseur) aujourd'hui disponibles avec une résistance à la traction de 1200 MPa, ou à des nuances en cours de développement, à 1500M et toujours en tôles plus épaisses .

Prototype de logement de batterie de véhicule électrique
Prototype de logement de batterie de véhicule électrique

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