Production Avancée d'Acier Blindé : Protection Légère Supérieure

Dans l'environnement actuel, des efforts accélérés visent à fournir des technologies de blindage légères capables de vaincre les projectiles perforants (AP) à poids surfacique réduit. Si beaucoup de ces efforts impliquent des métaux à faible densité comme l'aluminium et le titane, le choix d'alliages d'acier reste compétitif pour de nombreuses applications balistiques et structurelles, grâce à la capacité de fabriquer des composants blindés dans les secteurs civil et militaire avec les équipements et le personnel disponibles. C'est un avantage majeur des solutions en acier.

Propriétés de l'acier blindé

L'acier est le matériau blindé le plus performant dans l'ensemble, malgré sa densité élevée, grâce à ses propriétés : ténacité, disponibilité immédiate, faible coût, aptitude au moulage et à la soudure. Les aciers blindés ne sont pas des aciers ordinaires : ils allient haute résistance, dureté et ténacité à la fracture. Ils protègent contre les dommages de projectiles ou la pression au combat, généralement sous forme de tôles laminées à chaud pour véhicules blindés.

Les principales propriétés — ténacité, dureté, bonne résistance à la fatigue, facilité de fabrication et d'assemblage, coût relatif faible — font de l'acier un matériau populaire pour les véhicules blindés. L'exigence cruciale est le maintien de l'intégrité structurelle même à températures négatives sous impact de projectiles d'artillerie surcalibrés. L'acier doit donc avoir une bonne résistance à l'impact à basse température. Autres considérations importantes : aptitude aux techniques modernes de fabrication et construction, soudabilité aisée, capacité à être produit sous diverses formes.

Influence de la composition et du traitement thermique

Il est connu que la composition chimique, les températures d'austénitisation et de revenu, et la taille de grain affectent les propriétés mécaniques et donc la performance balistique. Il a été établi que les propriétés mécaniques et la performance balistique des aciers martensitiques peuvent être optimisées en contrôlant la composition chimique et les paramètres de traitement thermique.

L'acier blindé est fondamentalement un acier structural faiblement allié à haute résistance, traité pour avoir une très haute résistance à la pénétration. Cette propriété est généralement conférée par traitement thermique, souvent thermomécanique. La résistance à la pénétration s'améliore en augmentant l'intensité de texture, obtenue par traitement thermomécanique. L'efficacité massique du blindage augmente avec la dureté du matériau. Cependant, un blindage très dur tend à être cassant et à se briser à l'impact.

Composition chimique

Les principaux éléments d'alliage sont le nickel (Ni), le chrome (Cr) et le molybdène (Mo). Les teneurs en phosphore (P) et soufre (S) doivent être très faibles (préférablement < 0,015 % chacun). Les gaz dissous (N₂, O₂, H₂) doivent aussi être à très bas niveau. L'acier doit être très pur, avec très faible niveau d'inclusions, et exempt de ségrégation.

Classification des aciers blindés

On distingue quatre groupes principaux :

1. Blindage homogène laminé (RHA - Rolled Homogeneous Armour)
2. Blindage à haute dureté (HHA - High Hardness Armour)
3. Blindage à dureté variable (acier à dureté duale - DHA)
4. Blindage perforé

Les aciers RHA servent généralement de matériau de référence. Le RHA est un acier allié de haute qualité laminé puis traité thermiquement pour une combinaison optimale de résistance et ténacité. Il reste le blindage standard mondial sur la plupart des chars. Son faible coût, sa fiabilité, la disponibilité des infrastructures de production, son utilité concurrente comme matériau structurel et sa facilité de fabrication lui ont permis de conserver sa position dominante. Il continue d'être utilisé en microstructure martensitique revenue après traitement thermique : durcissement pour augmenter la résistance à la pénétration, puis revenu pour augmenter la ténacité et la capacité d'absorption d'énergie contre les projectiles impactants.

La spécification HHA permet l'utilisation efficace de technologies de traitement continu modernes et offre une nouvelle classe d'aciers à haute dureté auto-revenus. L'acier blindage à dureté variable (DHA) est produit par soudage par laminage d'une plaque frontale à haute dureté sur une plaque arrière à dureté inférieure. Les aciers DHA soudés par laminage sont complexes à produire et ont des limitations de production connues. Des études ont exploré la production d'aciers DHA par refusion électro-laitière, mais la production reste difficile.

Des efforts visent à développer des aciers blindés monolithiques à ultra-haute dureté (UHHA) avec dureté ≥ 600 HB (Brinell) et des avancées significatives ont été réalisées. La résistance balistique améliorée en fonction de la dureté croissante est bien établie. Les aciers UHHA devraient augmenter la défaite des balles AP, réduire le poids du blindage, et éliminer les difficultés de fabrication inhérentes au DHA.

Traitement par trempe et revenu

La trempe et le revenu, combinaison de chauffage et refroidissement d'un métal ou alliage, modifient la microstructure et améliorent résistance, dureté et ténacité. Le taux de refroidissement pendant la trempe de l'acier dans la gamme austénitique doit être tel qu'il refroidisse l'acier sous la température Ms (début de formation de martensite). Une fois toute la microstructure convertie en martensite, on procède au revenu en relevant la température pour revenir la structure martensitique. Pendant le laminage à chaud de la tôle, les températures de fin de laminage et les taux de trempe et revenu doivent être contrôlés pour obtenir les qualités optimales d'aciers faiblement alliés trempés-revenus. Les produits résultants offrent aux concepteurs de véhicules blindés des avantages résistance/poids et des propriétés de résistance à l'usure normalement indisponibles dans les aciers conventionnels.

Procédé de production des aciers blindés

La technologie de fabrication de tôles blindées doit être de très haut niveau, les exigences de haute résistance et dureté dictant l'une des routes de procédé les plus strictes. La sidérurgie primaire de l'acier blindé peut se faire soit en convertisseur à oxygène (BOF), soit en four à arc électrique (EAF).

Au BOF, on utilise principalement de la fonte liquide (du haut fourneau) et de la ferraille. À l'EAF, on peut utiliser ferraille, fer réduit direct, et fonte selon disponibilité. La qualité des matières premières doit être contrôlée. En cas d'utilisation de fonte, il est souhaitable d'effectuer une désulfuration, déphosphoration et désiliciumation selon les exigences du procédé pour assurer de bas taux de S, P, Si dans la fonte. L'élimination de ces éléments facilite la formation de laitier de qualité pendant la sidérurgie à l'oxygène. La ferraille doit être propre, de haute densité, et à très faible teneur en éléments trampes.

Les diagrammes de flux des procédés de production et traitement des aciers blindés sont donnés en figures 1 et 2. La figure 1 montre les procédés jusqu'à la production de brames, la figure 2 ceux de laminage, traitement thermique et contrôle des tôles.

Élaboration et coulée de l'acier blindé

Après élaboration de l'acier liquide au BOF ou EAF, il est traité en unités de métallurgie secondaire. Les objectifs incluent : (i) homogénéisation de la composition et température dans la poche, (ii) désoxydation (killing) = élimination de l'oxygène, (iii) ajustement du surchauffe pour température adaptée à la coulée continue, (iv) ajouts de ferro-alliages et carbone pour ajuster la chimie, (v) dégazage sous vide pour élimination H₂ et N₂, (vi) élimination des composés non métalliques indésirables par flottation dans le laitier, (vii) modification de la composition des impuretés résiduelles pour améliorer la microstructure. La métallurgie secondaire est nécessaire pour obtenir les propriétés mécaniques désirées après laminage.

Pour les aciers de qualité blindage, on utilise un ou plusieurs procédés secondaires : dégazage sous vide, four à poche et dégazage poche, dégazage sous vide à arc, refusion électro-laitière. Pendant ces procédés, le rinçage ou brassage de l'acier liquide avec injection de divers matériaux est effectué dans la poche pour homogénéisation et raffinage. La métallurgie secondaire est aussi nécessaire pour la coulée continue sans à-coups et la production de brames saines.

La coulée continue solidifie l'acier liquide en produit semi-fini : brame (pour l'acier blindé) pour laminage ultérieur. L'opération convertit l'acier liquide de composition donnée en brin de brame de dimensions données par un groupe d'opérations : fonctionnement du moule, zone de refroidissement par aspersion, zone de redressage. L'épaisseur de la brame coulée doit être telle qu'un niveau minimal de réduction ait lieu pendant le laminage de la tôle.

Les équipements principaux d'une machine de coulée continue comprennent : (i) tour de poches avec système de pesée et manipulateur de couvercle, (ii) lingotière et chariot avec système de pesée, préchauffage et séchage, (iii) moule et oscillation avec contrôle de niveau et agitateurs électromagnétiques, (iv) refroidissement secondaire : refroidissement du brin, confinement et guidage, (v) unité de traction et redressage, (vi) barre factice, stationnement et unité de déconnexion rouleau, (vii) rouleaux pincettes et unité de coupe au chalumeau, (viii) système d'identification du produit, (ix) table à rouleaux et système de décharge : lit de refroidissement, table à rouleaux, grille de décharge.

Pour la coulée d'aciers blindés faiblement alliés, l'accent est mis sur la production d'aciers purs. Il y a des exigences accrues pour la microstructure et l'homogénéisation de la composition du produit coulé. La composition chimique, les conditions de solidification et la nature de l'écoulement de l'acier liquide dans le moule affectent la qualité de surface et la structure interne. L'application de l'agitation électromagnétique (EMS) favorise la formation d'une zone cristalline équiaxe dans le brin, affine la structure de solidification, réduit la teneur en inclusions et améliore la qualité de surface, sous-surface et structure interne de la brame coulée.

Les brames pour aciers blindés peuvent aussi être produites par la voie : refusion électro-laitière, coulée en lingots larges, puis forgeage des lingots en brames. Comme pendant la coulée en lingots, la ségrégation du carbone se produit dans le sens de la solidification, l'ESR est nécessaire. Cette voie augmente le coût de production des brames et convient surtout aux faibles capacités. Les brames forgées ont une structure interne saine.

Les machines modernes de coulée continue de brames, équipées de tous types de contrôles depuis la tour de poches jusqu'au décharge du produit, produisent normalement des brames très saines, pratiquement sans défauts de surface et sous-surface. Cependant, du fait de l'importance des aciers blindés, les brames après refroidissement subissent inspection visuelle, magnétoscopie et ultrasons pour identifier d'éventuels défauts de surface, sous-surface et internes. Les défauts internes dans les brames coulées en continu peuvent fortement affecter la performance pendant le traitement thermomécanique et/ou les propriétés mécaniques du produit final. Il est donc important d'identifier, quantifier et caractériser les défauts : densité, distribution, type et localisation des anomalies.

L'inspection permet de classer les brames en trois catégories : (i) brames de premier choix pour laminage, (ii) brames avec défauts de surface mineurs éliminables par écimage ou meulage pour les rendre aptes au laminage, (iii) brames avec défauts sous-surface et internes inacceptables, rejetées pour le laminage et envoyées à la refusion.

Laminage des brames en train à tôles

Les brames après inspection sont réchauffées dans un four à environ 1 150-1 200 °C, adapté à la déformation plastique et au laminage. Le four à poutre mobile (walking beam) est préféré pour son efficacité énergétique et son chauffage uniforme. Il doit avoir toutes les installations de récupération de chaleur, les contrôles de combustion pour la température des brames et autres contrôles pour son fonctionnement efficace.

La brame chauffée est laminée dans un train à tôles, normalement un train réversible à 4 cages, soit à une cage, soit à deux cages. La cage de laminage a normalement des cages de bord attachées pour contrôler la largeur. Les tôles sont généralement laminées à l'épaisseur prescrite dans la cage réversible (passages répétés avant-arrière) en réduisant progressivement l'écartement entre les cylindres supérieur et inférieur par paliers, nécessitant plusieurs passes. Le passage d'une tôle dans l'écartement s'appelle une passe, et la réduction d'épaisseur par passe est la réduction de laminage. La réduction est répartie sur plusieurs passes. Le processus de décision du nombre de passes et de la réduction par passe de l'épaisseur de brame à l'épaisseur produit est l'horaire de passes. La température de fin de laminage affecte le nombre de passes nécessaire du fait des propriétés du matériau, le matériau plus froid étant plus dur.

Pour les produits d'épaisseur normale (tôles planes), la même épaisseur est obtenue sur toute la longueur en contrôlant le train pour que l'écartement ne change pas pendant une passe.

Les températures de début et fin de laminage déterminent la stabilité du procédé : le matériau plus froid demande plus de force de laminage. Donc une tôle mince, qui refroidit plus vite qu'une épaisse, peut rendre le procédé instable, surtout pour les faibles épaisseurs où la chute de température est importante.

Les cages de laminage, systèmes de refroidissement des tôles et toutes les sections aval doivent être conçus pour produire et traiter des tôles haute résistance et obtenir des produits finaux de qualité optimale.

Le contrôle de la vis de descente et de l'écartement automatique sont les parties principales du train pour ajuster l'écartement selon l'épaisseur programmée. Chaque format de tôle a son propre calcul d'horaire de passes incluant l'écartement, la force de laminage et le module du train appropriés.

Pour le laminage de tôles minces, le train doit être équipé d'installations pour contrôle automatique de forme, planéité et épaisseur. Le laminage de tôles minces nécessite généralement deux cages avec la cage de finition donnant la passe finale. Un instrument de mesure d'épaisseur en ligne est aussi nécessaire.

La tôle laminée est soumise à un planage en planeur à chaud avant la section de traitement thermique et un planeur à froid après. Une bonne planéité est souhaitée car pendant le refroidissement, la planéité influence la distance pour l'eau d'atteindre la tôle et l'écoulement de l'eau sur la tôle. Le planeur à chaud installé avant les équipements de refroidissement aplatit la tôle avant refroidissement. Le planeur à froid après la section de traitement thermique rectifie la forme dégradée par le refroidissement pour faciliter le transfert aux processus suivants.

Pendant le laminage de l'acier blindé, la température de fin de laminage est fixée à une valeur inférieure à celle des tôles laminées à chaud conventionnelles. Cela signifie qu'un temps d'attente pour ajustement de température est parfois nécessaire pendant le laminage, et ce temps tend à s'allonger avec les produits plus épais.

La section de traitement thermique est cruciale car les propriétés finales de l'acier y sont obtenues. Trois approches sont utilisées :

1. Traitement thermique hors ligne : La tôle est chauffée à la température désirée dans la gamme d'austénitisation. Le contrôle du chauffage est important pour éviter la croissance de grain. Après obtention d'une structure austénitique homogénéisée, elle est trempée à l'eau à un taux de refroidissement prédéterminé pour obtenir une structure martensitique. L'acier trempé est ensuite revenu à basse température pour les propriétés désirées.
2. Refroidissement contrôlé accéléré en ligne : La tôle laminée est immédiatement soumise à un refroidissement contrôlé accéléré. On évite la structure martensitique, visant une structure bainitique à grain très fin. On n'atteint pas de dureté très élevée mais on obtient haute résistance et bonne ténacité.
3. Trempe et revenu en ligne immédiats : Les opérations de trempe et revenu sont effectuées en ligne immédiatement après laminage. L'étape de chauffage de la tôle est éliminée, mais soit le débit de laminage et les temps de trempe/revenu doivent correspondre, soit une opération doit attendre l'autre. Des contrôles adéquats avec utilisation généreuse de pyromètres sont nécessaires pour contrôler les paramètres. La section de traitement thermique doit être étroitement liée aux opérations de laminage par un système de contrôle pour un contrôle efficace des propriétés des tôles blindées.

Les rouleaux pincettes pendant la trempe et le revenu maintiennent la tôle, favorisant un refroidissement/chauffage uniforme en supprimant la déformation pendant le refroidissement/chauffage, améliorant la forme et sécurisant les zones de refroidissement. Pour la trempe, la température de fin de refroidissement et le temps varient grandement selon la taille et le matériau visé. Il faut donc ajuster la longueur de la zone de refroidissement. Les rouleaux pincettes déterminent le débit d'eau de refroidissement en aval, empêchant un refroidissement non uniforme dû à l'eau stagnante hors zone de refroidissement, séparant ainsi zone de refroidissement et zone non refroidie.

L'unité de trempe à l'eau doit être correctement conçue car influencée par la courbe d'ébullition de l'eau. La capacité de refroidissement de l'eau pour une tôle à haute température montre un comportement caractéristique exprimé par la courbe d'ébullition (figure 3). À haute température, un film de vapeur existe entre la tôle et l'eau (ébullition filmique), et malgré la haute température, la capacité de refroidissement est légèrement inférieure. Quand la température baisse, le contact eau/tôle commence, la zone de contact s'étend et on entre en ébullition de transition où la capacité augmente. À température plus basse, on entre en ébullition nucléée où les bulles jouent un rôle majeur. Le refroidissement dans la région de transition est crucial : la capacité augmente avec la baisse de température, l'inégalité de distribution de température dans la tôle développée plus tôt s'amplifie, et la température de fin de refroidissement varie pour chaque tôle.

L'unité de trempe doit avoir des fonctions étendues pour un refroidissement rapide. Elle doit être équipée de nombreuses buses d'aspersion car un débit d'eau élevé est nécessaire pour un refroidissement rapide et uniforme de la tôle large. Selon conditions et qualité visée, la température de fin de refroidissement (température Mf) doit être fixée quelque part dans la région d'ébullition de transition.

Après le traitement thermique nécessaire pour obtenir les propriétés de résistance, dureté et ténacité, la tôle est redressée à nouveau dans un redresseur, puis les opérations de finition : cisaillement et découpe, prélèvement d'échantillons, essais et inspection, et si requis grenaillage, revêtement et marquage sont effectuées selon le diagramme de flux. La tôle subit un contrôle final avant expédition.

Pendant les essais, tous les tests requis par la norme doivent être menés pour assurer la conformité aux valeurs spécifiées : dimensions, tolérances dimensionnelles, microstructure, résistance, dureté, ténacité. Le laboratoire du train de laminage doit être équipé de toutes les installations d'essai et d'inspection nécessaires.