Acier inoxydable ferritique utilisable pour la production de laine d'acier

Abstract

 Acier inoxydable ferritique utilisable pour la production de laine d'acier caractérisé en ce que sa composition pondérale est la suivante:

• carbone ≤ 0,2%,
• silicium ≤ 2%;
• manganèse ≤ 2%,
• 11% ≤ chrome ≤ 30%,
• nickel ≤ 1%,
• soufre ≤ 0,030%,
• calcium ≥ 15 10^-4 %,
• oxygène ≥40 10^-4%,

la teneur en calcium et oxygène satisfaisant la relation suivante :

Description

[0001] La présente invention concerne un acier inoxydable ferritique utilisable pour la production de laine d'acier.

[0002] La laine d'acier est obtenue par une technique appelée rasage. La laine d'acier est élaborée sur une installation de rasage à partir d'un fil d'acier enroulé en une ou plusieurs nappes de fils jointifs sur des cylindres entraînés en rotation. Une nappe de fils jointifs passe sur des outils de coupe qui vont produire des copeaux constituant la laine. La profondeur de passe qui correspond à l'épaisseur du copeau est déterminée par la force d'appui de l'outil sur la nappe de fils.

[0003] La vitesse de défilement du fil sur les outils, qui correspond à une vitesse de coupe, est de l'ordre de 30 mètres par minute pour le rasage de fils en acier inoxydable et de 50 mètres par minute pour le rasage de fils en acier doux.

[0004] Les copeaux qui forment la laine sont entraînés vers l'avant de l'installation où ils sont enroulés sur un manchon.

[0005] La qualité de la laine est évaluée en fonction de critères comme par exemple:

• la quantité de freintes: les freintes sont les débris ou copeaux qui ne sont pas entraînés par la nappe de laine d'acier, copeaux trop courts qui tombent en dessous de l'installation et qui sont ramassés régulièrement par l'opérateur pour le suivi quantitatif et qualitatif de l'installation. Il est donc nécessaire d'obtenir lors du rasage, des copeaux longs qui ne se fragmentent pas.
• la qualité de la laine: Elle est appréciée au toucher et par son aspect visuel. Une laine de bonne qualité est homogène et douce. La présence de copeaux épais due par exemple à l'usure d'outils lui donne un aspect hétérogène et une consistance moins agréable. La surveillance de l'opérateur est primordiale car à tout moment, il peut modifier la pression des outils sur les nappes de fils.

[0006] L'invention à pour but de proposer un acier qui, mis sous forme de fil, peut être utilisé pour des opérations de rasage destinées à la fabrication de laine d'acier.

[0007] L'invention à pour objet un acier inoxydable ferritique utilisable pour la production de laine d'acier. Il se caractérise en la composition pondérale suivante :

• carbone ≤ 0,2%,
• silicium ≤ 2%;
• manganèse ≤ 2%,
• 11% ≤ chrome ≤ 30%,
• nickel ≤ 1 %,
• soufre ≤0,030 %,
• calcium ≥ 15 10^-4 %,
• oxygène ≥ 40 10-⁴ %,

la teneur en calcium et oxygène satisfaisant la relation suivante :
0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,7.

• l'acier a de préférence la composition pondérale suivante:
  • carbone ≤ 0,08%,
  • silicium ≤ 1%;
  • manganèse ≤ 2%,
  • 15% ≤ chrome ≤ 19%,
  • nickel ≤ 1%,
  • soufre ≤ 0,030%,
  • calcium ≥ 15 10^-4 %,
  • oxygène ≥ 40 10^-4%,
  la teneur en calcium et oxygène satisfaisant la relation suivante :
  0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,7.
  • l'acier a de préférence la composition pondérale suivante:
    • carbone ≤ 0,1%,
    • silicium ≤ 1%;
    • manganèse ≤ 2 %,
    • 20% ≤ chrome ≤ 28%,
    • nickel ≤ 1%,
    • soufre ≤ 0,030%,
    • calcium ≥ 15 10^-4 %,
    • oxygène ≥ 40 10^-4%,
    la teneur en calcium et oxygène satisfaisant la relation suivante :
    0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,7.

[0008] Les autres caractéristiques de l'acier sont:

• l'acier comprend dans sa composition pondérale:
  • calcium ≥ 30 10^-4 %,
  • oxygène ≥70 10^-4%,
• les teneurs en calcium et oxygène satisfaisont la relation suivante :0,3 ≤ Ca/O ≤ 0,6.
• la composition contient, en outre, moins de 3% de molybdène.
• la composition contient en outre moins de 1% des éléments titane, tantale, zirconium, niobium pris seuls ou en combinaison.

[0009] L'invention concerne également un fil pour la production de laine d'acier, fil obtenu par tréfilage et qui contient des inclusions de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou gehlénite et/ou tridymite.

[0010] La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre l'invention.

[0011] La figure 1 est un schéma représentant une installation pour la production de laine d'acier.

[0012] La figure 2 est un schéma, en perspective, d'un enroulement formant une nappe inférieure et une nappe supérieure d'une installation.

[0013] La figure 1 présente un schéma d'une installation 1 de rasage. Par exemple, la taille de l'installation 1 est de l'ordre de 10 mètres de longueur de 3 mètres de largeur et de 2 mètres de hauteur. Le fil 2 d'acier destiné au rasage est enroulé en nappes 3, entre deux cylindres 4 entraînés en rotation. Une nappe 3 est contituée d'environ 15 fils 2 jointifs.

[0014] Chacune des nappes 3 se déplace sur des outils 5 de coupe appelés peignes, qui produisent des copeaux 6 constituant les fibres de la laine d'acier.

[0015] Les copeaux 6 formant les fibres de la laine d'acier sont entraînés vers l'avant de l'installation et enroulés sur un manchon 7 de récupération de la laine.

[0016] La figure 2 est un schéma, en perspective, d'un enroulement formant une nappe 3 inférieure et une nappe 3 supérieure. La nappe 3 inférieure passe sur des outils 5 en forme de couteau, placés sensiblement perpendiculairement au mouvement des fils 2 . Les outils 5 sont en acier rapide est comportent, en dépouille, des stries dont l'espacement définit un grade de laine d'acier ou encore la largeur des copeaux 6 .

[0017] La vitesse de défilement du fil 2 entre les cylindres 4, qui correspond à la vitesse de coupe des outils 5, est comprise entre 30 est 50 mètres par minute, vitesse qui doit rester relativement faible pour éviter l'échauffement des fins copeaux 6 de laine d'acier.

[0018] La profondeur de passe du rasage est assurée par la force d'appui des outils 5 sur les nappes 3 de fils 2. C'est cette force qui définit l'épaisseur du copeau. L'épaisseur des copeaux 6 est en général inférieure à 50 micromètres, sachant qu'elle est de manière courante, d'environ 20 micromètres. La largeur des copeaux 6, fonction de l'outil 5 de coupe ou peigne est communément d'environ 50 à 70 micromètres. Ces dimensions restent finalement du même ordre de grandeur que celles des inclusions comme présentées sur le tableau 3 . Il n'est pas rare que l'acier sous forme de fil présente des inclusions ayant une largeur d'environ 15 micromètres, la majorité ayant une largeur comprise entre 5 et 15 micromètres.

[0019] Le fil étant soumis à l'opération de rasage dans le sens de sa longueur, c'est bien la largeur des inclusions qu'il faut considérer, la longueur ne devant que peu influer sur l'aptitude au rasage. Pour une même quantité d'inclusions, il faut donc préférablement un fil comportant des inclusions allongées, ce qui est confirmé par les exemples de réalisation qui suivent.

[0020] Pour un homme du métier, la qualité de la laine selon les critères énumérés ci-dessus est définie, sur des fiches de suivi, par des qualificatifs du type: recommandé, déconseillé, rejeté.

[0021] Il semble que la qualité de la laine soit liée à la nature et à la forme des inclusions contenus dans l'acier des fils.

[0022] Il est connu des aciers à usinabilité améliorée pour décolletage utilisant des outils en carbure revêtus travaillant à des vitesses de coupe de l'ordre de 200 mètres par minute. Le décolletage est l'usinage de barres de petit diamètre, ce qui induit des limitations notamment pour les vitesses de coupe.

[0023] Le comportement de ces aciers de décolletage est attaché aux caractéristiques des inclusions, inclusions qui, déformées par l'usinage et soumises à une élévation de température à la pointe de l'outil de coupe, assurent, du fait de leur ramollissement, une lubrification à l'interface métal - outil, un refroidissement dudit outil, ainsi qu'une fragmentation des copeaux de décolletage. Dans ce domaine d'application les copeaux issus de l'usinage doivent être courts et fragmentés pour assurer leur évacuation, l'usinage étant effectué à grande vitesse.

[0024] Dans le domaine de la production de la laine d'acier, il est constaté que l'acier inoxydable ferritique selon l'invention de composition pondérale suivante:

• carbone ≤ 0,2 %,
• silicium ≤ 2 %;
• manganèse ≤ 2 %,
• 11% ≤ chrome ≤ 30 %,
• nickel ≤ 1%,
• soufre ≤ 0,030 %,
• calcium ≥ 15 10^-4 %,
• oxygène ≥ 40 10^-4%,

la teneur en calcium et oxygène satisfaisant la relation :
0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,7, donne une laine d'acier de qualité améliorée tant du point de vue de l'aspect de la fibre que du point de vue productibilité.

[0025] L'acier selon l'invention peut contenir en outre du titane, tantale, zirconium, niobium qui améliorent la résistance à l'oxydation. L'introduction de molybdène dans la composition de l'acier améliore la résistance à la corrosion et la tenue à chaud.

[0026] L'acier selon l'invention, élaboré sous forme de fil présente des inclusions déformées après laminage et tréfilage, inclusions dont la largeur est inférieure à 5 micromètres, les inclusions étant des aluminosilicates de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou gehlénite et/ou tridymite.

[0027] Les caractéristiques de l'acier du point de vue mécanique comme par exemple la cohésion entre les inclusions et la matrice dudit acier assurent une bonne qualité de la fibre pour laine d'acier. D'autre part, l'acier est adapté pour un usinage du type rasage à faible vitesse de coupe.
Du point de vue de la composition, le carbone est un élément qui a tendance à stabiliser la phase austénitique par rapport à la phase ferritique. En outre cet élément est très peu soluble dans la ferrite à température ambiante. Compte tenu de la valeur élevée de coefficient de diffusion du carbone dans la matrice du type cubique centré de la ferrite, il en résulte qu'à moins de baisser la concentration de cet élément en dessous de teneurs très faibles, il est très difficile de limiter la précipitation de carbures de chrome, à température ambiante. En parallèle, ces carbures de chrome détournent l'utilisation du chrome et sont entourés de zones appauvries en chrome. Le matériau voit donc sa résistance à la corrosion dégradée. Il peut être préférable de baisser la teneur en carbone à moins de 0,08%.
Cependant, le carbone augmente les caractéristiques mécaniques de l'acier, et, pour certaines applications, la teneur en carbone peut atteindre 0,2%.
Le fait d'avoir de basses teneurs en calcium et oxygène, en respectant le rapport Ca/O permet d'obtenir un excellent comportement de l'acier au rasage. Il a été remarqué que la présence de plus de 30.10^-4% de calcium et plus de 70.10^-4% d'oxygène était également favorable. Il est ainsi possible d'éviter une désoxydation poussée au cours de l'élaboration de l'acier, à condition cependant d'avoir un rapport Ca/O compris entre 0,2 et 0,7.
Les aciers ayant de 15 à 19% de chrome sont largement utilisée et donnent satisfaction dans des applications courantes. Ils peuvent être améliorés, notamment du point de vue de la corrosion inter granulaire, par l'ajout d'éléments tels que le titane, le niobium, le zirconium. Une autre voie d'amélioration, efficace mais coûteuse, consiste à augmenter la teneur en chrome. La résistance à la corrosion caverneuse et par piqûre est très améliorée quand les teneurs en chrome sont comprises entre 20 et 30%.

[0028] Le tableau 1 présente 6 aciers dont trois sont des aciers de référence, les aciers A, B, C, étant des aciers selon l'invention.

TABLEAU 1

	acier ref 1	acier ref 2	acier ref 3	acier A	acier B	acier C
carbone %	0,040	0,038	0,037	0,042	0,036	0,039.
- silicium %	0,37	0,36	0,45	0,38	0,36	0,39
- manganèse %	0,39	0,41	0,32	0,37	0,40	0,35
- nickel %	0,21	0,028	0,42	0,31	0,24	0,17
- chrome %	16,4	16,4	16,4	16,3	16,4	16,3
- molybdène %	0,94	0,76	0,6	0,93	0,72	0,81
- cuivre %	0,09	0,30	0,15	0,27	0,10	0,08
- azote 10-4%	45	58	42	53	39	48
- soufre 10-4%	131	182	192	172	105	121
- calcium 10-4 %	<2	<2	54	24	16	55
- oxygène 10-4%	65	45	75	85	51	120
- Ca/O	0	0	0,72	0,28	0,31	0,46

Le tableau 2 présente les caractéristiques mécaniques des aciers cités ci dessus, lesdits aciers pour rasage étant mis sous la forme de fil de 3,1 mm de diamètre.

TABLEAU 2

	acier ref 1	acier ref 2	acier ref 3	acier A	acier B	acier C
Rm (MPa)	966	1045	1070	1021	960	1015
Rp0,2 (MPa)	860	948	800	839	880	754
Z %	62	65	36	64	40	35

Le tableau 3 résume la nature inclusionnaire des aciers de la description.

TABLEAU 3

	Inclusions oxydes largeur (µm)	Nature des oxydes majoritaires.
acier ref 1	5 à 15	Al2O3-SiO2-CrO3-MnO + Al2O3-MgO
acier ref 2	5 à 15	Al2O3-MgO
acier ref 3	3 à 8 ( globulaires )	CaO-Al2O3-SiO2
acier A	<à 2	Al2O3-SiO2-CaO
acier B	<à 2	Al2O3-SiO2-CaO
acier C	<à 2	Al2O3-SiO2-CaO

Le tableau 4 résume des caractéristiques obtenue dans des opérations de rasage effectuées avec les aciers de référence et les aciers selon l'invention, ainsi que l'appréciation de la qualité de la laine.

TABLEAU 4

	Poids au mètre pour				ép. usure	Aspect	Appréciation
	1h	3h	5h	8h	résid peigne	laine
acier ref 1	90	92	95	100	75/80 Mauvais	mauvais	à rejeter
acier ref 2	100	105	106	115	70/75 Mauvais	moyen	déconseillé
acier ref 3	110	112	113	118	69/72 Mauvais	moyen	déconseillé
acier A	145	147	149	150	65/68 Normal	Bon	recommandé
acier B	130	132	135	137	70/72 Normal	Bon	recommandé
acier C	151	152	152	154	45/50 Bon	bon	recommandé

[0029] La comparaison entre les aciers de référence 1, 2 et 3, présentés ci dessus et les aciers A, B, C, selon l'invention montre que les inclusions naturellement obtenues, après élaboration de l'acier de référence et sa mise sous forme de fil pour rasage, sont de grande largeur. En outre elles sont par nature dures et abrasives. Les inclusions contenues dans le fil pour rasage selon l'invention sont allongées, leur largeur est significativement plus faible que les inclusions contenues dans les aciers de référence. Cet allongement des inclusions traduit une faible contrainte d'écoulement desdites inclusions et de ce fait, une dureté réduite par rapport à celle des aciers de référence.

[0030] Le tableau 4 met en évidence les gains de productivité en laine d'acier fait par l'utilisation des aciers selon l'invention. En effet, le poids au mètre de laine est nettement plus élevé avec les aciers selon l'invention et l'épaisseur de fil résiduel est plus faible, ce qui réduit les pertes de matière première.

[0031] En outre, l'observation de l'usure des outils de coupe ou peignes prouve l'influence néfaste des inclusions dures et abrasives. Les outils utilisés pour le rasage des aciers de référence ont une usure rapide par rapport à l'usure des outils utilisés pour le rasage des aciers selon l'invention. De plus, du point de vue aspect de la laine d'acier obtenue par rasage, on remarque que la laine est de meilleure qualité lorsqu'elle est obtenue par rasage des aciers selon l'invention. En d'autres termes, les inclusions de type Al2O3- SiO2 - CaO satisfaisont, du point de vue teneurs en éléments, le rapport Ca/O qui est compris entre 0,2 et 0,7. On peut également remarquer, dans l'analyse des caractéristiques du tableau 2, que des caractéristiques mécaniques élevées ont tendance à améliorer l'aptitude au rasage des aciers.

[0032] L'invention ne consiste pas à introduire dans l'acier une quantité d'inclusions d'un certain type mais consiste en l'élaboration d'un acier contenant des inclusions inhérentes à son élaboration , les inclusions réduites en nombre étant, selon l'invention, des inclusions d'aluminosilicates de chaux.

[0033] En résumé, l'invention consiste principalement en une modification de la nature des inclusions résiduelles d'oxydes, sans rechercher une augmentation de leur densité, de façon à obtenir après laminage et tréfilage, des inclusions résiduelles de faible largeur.

[0034] En contrôlant l'apparition inévitable des oxydes de nature telle que définie par l'invention, il est possible d'améliorer la productivité et la qualité de la laine d'acier obtenue par rasage en générant des copeaux long et réguliers sous usinage à faibles vitesses avec des outils en acier rapide.

Revendications

1. Acier inoxydable ferritique utilisable pour la production de laine d'acier caractérisé en ce que sa composition pondérale est la suivante:

- carbone ≤ 0,2 %,

- silicium ≤ 2%;

- manganèse ≤ 2%,

- 11% ≤ chrome ≤ 30%,

- nickel ≤ 1%,

- soufre ≤ 0,030%,

- calcium ≥ 15 10^-4 %,

- oxygène ≥ 40 10^-4%,

la teneur en calcium et oxygène satisfaisant la relation suivante :
0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,7.

2. Acier selon la revendication 1 caractérisée en la composition pondérale suivante:

- carbone ≤ 0,08%,

- silicium ≤ 1%;

- manganèse ≤ 2 %,

- 15% ≤ chrome ≤ 19%,

- nickel ≤ 1%,

- soufre ≤ 0,030%,

- calcium ≥ 15 10^-4 %,

- oxygène ≥ 40 10^-4%,

la teneur en calcium et oxygène satisfaisant la relation suivante :
0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,7.

3. Acier selon la revendication 1 caractérisée en la composition pondérale suivante:

- carbone ≤ 0,1%,

- silicium ≤ 1 %;

- manganèse ≤ 2 %,

- 20% ≤ chrome ≤ 28%,

- nickel ≤ 1 %,

- soufre ≤ 0,030%,

- calcium ≥ 15 10-⁴ %,

- oxygène ≥ 40 10^-4%,

la teneur en calcium et oxygène satisfaisant la relation suivante :
0,2 ≤ Ca/O ≤ 0,7.

4. Acier selon l'une des revendicaions 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale:

- calcium ≥ 30 10^-4 %,

- oxygène ≥ 70 10^-4%,

5. Acier selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les teneurs en calcium et oxygène satisfaisont la relation suivante : 0,3 ≤ Ca/O ≤ 0,6.

6. Acier selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la composition contient en outre moins de 3% de molybdène.

7. Acier selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la composition contient en outre moins de 1% des éléments titane, tantale, zirconium, niobium pris seuls ou en combinaison.

8. Fil d'acier pour la production de laine d'acier caractérisé en ce qu'il est obtenu par le tréfilage de l'acier selon les revendications 1 à 7.

9. Fil d'acier selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il contient des inclusions de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou gehlénite et/ou tridymite.

10. Laine d'acier réalisée par rasage caractérisée en ce qu'elle est obtenue par utilisation de l'acier selon les revendications 1 à 7 mis sous forme de fil selon les revendications 8 et 9.

Dessins