[0001] La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique pour l'élaboration
notamment de fil, ayant une propreté inclusionnaire adaptée pour une utilisation dans
le domaine du tréfilage de fil de diamètre inférieur à 0,3 mm et dans le domaine de
la réalisation de pièces soumises à la fatigue.
[0002] On désigne par aciers inoxydables, les alliages de fer contenant au moins 10,5% de
chrome. D'autres éléments entrent dans la composition des aciers afin de modifier
leur structure et leurs propriétés.
[0003] Les aciers inoxydables austénitiques ont une composition déterminée. La structure
austénitique est assurée après transformation, par un traitement thermique de type
hypertrempe.
[0004] Du point de vue métallurgique, il est connu que certains éléments d'alliage entrant
dans la composition des aciers favorisent l'apparition de la phase ferrite de structure
métallographique de type cubique centré. Ces éléments sont dit alpha-gènes. Parmi
ceux-ci figurent le chrome, le molybdène, le silicium.
[0005] D'autres éléments dits gamma-gènes favorisent l'apparition de la phase austénite
de structure métallographique de type cubique à faces centrées. Parmi ces éléments
figurent le carbone, l'azote, le manganèse, le cuivre, le nickel.
[0006] Dans le domaine par exemple du tréfilage, il est connu que pour obtenir un fil de
diamètre inférieur à 0,3 mm, dit fin, l'acier inoxydable utilisé ne doit pas comporter
d'inclusions dont la taille génère la casse de fil lors du tréfilage.
[0007] Dans l'élaboration des aciers inoxydables austénitiques, comme pour tous les autres
aciers élaborés avec des moyens conventionnels et économiquement adaptés à la production
de masse, la présence d'inclusions de type sulfures ou oxydes est systématique et
irrémédiable. En effet, les aciers inoxydables peuvent, à l'état liquide, contenir
en solution, du fait des procédés d'élaboration, des teneurs en oxygène et en soufre
inférieures à 1000 ppm. Au cours du refroidissement de l'acier à l'état liquide ou
solide, la solubilité des éléments oxygène et soufre diminue et l'énergie de formation
des oxydes ou des sulfures est atteinte. On assiste alors à l'apparition d'inclusions
formées d'une part, de composés de type oxydes contenant des atomes d'oxygène et des
éléments d'alliage avides de réagir avec l'oxygène tels que calcium, magnésium, aluminium,
silicium, manganèse, chrome, et d'autre part, de composés de type sulfures contenant
des atomes de soufre et des éléments d'alliage avides de réagir avec le soufre tels
que manganèse, chrome, calcium, magnésium. Il peut apparaître également des inclusions
qui sont des composés mixtes de type oxysulfure.
[0008] Il est possible de réduire la quantité d'oxygène contenu dans l'acier inoxydable
en utilisant des réducteurs puissants tels que magnésium, aluminium, calcium, titane
ou une combinaison de plusieurs d'entre eux mais ces réducteurs conduisent tous à
la création d'inclusions riches en MgO, Al
2O
3, CaO ou TiO
2 qui sont sous la forme de réfractaires cristallisés, durs et indéformables dans les
conditions de laminage de l'acier inoxydable. La présence de ces inclusions génère
des incidents par exemple de tréfilage et des casses de fatigue sur les produits élaborés
avec l'acier inoxydable.
[0009] Il est connu la demande de brevet FR 95 04 782 qui traite d'un acier inoxydable austénitique
pour la réalisation de fil pouvant être utilisé dans le domaine du tréfilage et dans
le domaine de la réalisation de pièces soumises à la fatigue.
[0010] Il a été constaté que l'acier inoxydable décrit ne présentait pas, d'une manière
générale, en fonction des différentes compositions, des performances fiables aussi
bien du point de vue du nombre de casses au tréfilage que du point de vue de tenue
à la fatigue. En d'autres termes, les compositions de l'acier d'écrites dans la demande
de brevet de l'art antérieur ne donnent pas toutes entière satisfaction, du fait notamment,
de la définition beaucoup trop large du domaine inclusionnaire.
[0011] Il a été mis en évidence, une zone fermée dans le domaine inclusionnaire, définie
par des intervalles de teneurs en éléments résiduels spécifiques qui assurent des
performances optimales et fiables notamment, en tréfilage et fatigue.
[0012] L'invention a pour but la réalisation d'un acier inoxydable austénitique ayant une
propreté inclusionnaire sélectionnée, acier pouvant être utilisé notamment dans le
domaine du tréfilage en diamètre inférieur à 0,3 mm et dans le domaine de la réalisation
de pièces soumises à la fatigue.
[0013] L'invention a pour objet un acier inoxydable austénitique de composition pondérale
suivante:
- 5.10-3% ≤ carbone ≤ 200, 10-3%
- 5.10-3% ≤ azote ≤ 400, 10-3%
- 0,2% ≤ manganèse ≤ 10%,
- 12% ≤ chrome ≤ 23%
- 0,1% ≤ nickel ≤ 17%,
- 0,1% ≤ silicium ≤ 2%,
dans lequel les éléments résiduels sont contrôlés de manière que :
- 0% ≤ soufre ≤ 100.10-4%,
- 40.10-4% ≤ oxygène total ≤ 120.10-4%,
- 0% < aluminium ≤ 5.10-4%
- 0% ≤ magnésium ≤ 0,5.10-4%
- 0 % < calcium ≤ 5.10-4%
- 0% ≤ titane ≤ 4.10-4%
- des impuretés inhérentes à la fabrication,
et dans lequel des inclusions d'oxydes ont, sous forme de mélange vitreux, les proportions
pondérales suivantes:
- 40% ≤ SiO2 ≤ 60%
- 5% ≤ MnO ≤ 50%
- 1% ≤ CaO ≤30%
- 0% ≤ MgO ≤ 4%
- 5% ≤ Al2O3 ≤ 25%
- 0% ≤ Cr2O3 ≤ 4%
- 0% ≤ TiO2 ≤ 4%,
les oxydes dont sont composées les inclusions satisfaisant la relation suivante :
%Cr
2O3 + %TiO2 + %MgO < 10%.
[0014] Les autres caractéristiques préférées de l'invention sont :
- la composition de l'acier comprend moins de 50.10-4 % de soufre.
- la composition de l'acier comprend en outre moins de 3% de molybdène.
- la composition de l'acier comprend en outre moins de 4% de cuivre.
[0015] La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre d'exemple
non limitatif fera bien comprendre l'invention.
[0016] Les figures 1 et 2 présentent respectivement une image d'un exemple d'inclusion peu
déformée, épaisse et une image d'un exemple d'inclusions contenues dans un acier selon
l'invention.
[0017] L'acier selon l'invention contient dans sa composition pondérale de 5.10
-3% à 200. 10
-3% de carbone, de 5.10
-3% à 400.10
-3% d'azote, de 0,2% à 10% de manganèse, de 12% à 23% de chrome, de 0,1% à 17% de nickel,
de 0,1% à 2% de silicium, et en particulier des éléments résiduels contrôlés de manière
que leur composition pondérale soit la suivante : plus de 0% à 100.10
-4% de soufre, de 40.10
-4% à 120.10
-4% d'oxygène total, plus de 0% à 5.10
-4% d'aluminium, de 0% à 0,5.10
-4% de magnésium, plus de 0% à 5.10
-4% de calcium, de 0% à 4.10
-4% de titane.
- des impuretés inhérentes à la fabrication,
et dans lequel des inclusions d'oxydes ont, sous forme de mélange vitreux, les proportions
pondérales suivantes:
- 40% ≤ SiO2 ≤ 60%
- 5% ≤ MnO ≤ 50%
- 1% ≤ CaO ≤30%
- 0% ≤ MgO ≤ 4%
- 5% ≤ Al2O3 ≤ 25%
- 0% ≤ Cr2O3 ≤ 4%
- 0% ≤ TiO2 ≤ 4%,
les oxydes dont sont composés les inclusions satisfaisant la relation suivante :
%Cr
2O3 + %TiO2 + %MgO < 10%.
[0018] Le carbone, l'azote, le chrome, le nickel, le manganèse, le silicium sont les éléments
habituels permettant l'obtention d'un acier inoxydable austénitique.
[0019] Les teneurs en manganèse, chrome, soufre, en proportion sont choisies pour générer
des sulfures déformables de composition bien déterminée.
[0020] Les intervalles de composition des éléments en silicium et manganèse, en proportion,
assurent selon l'invention, la présence d'inclusions de type silicate, riches en SiO
2 et contenant une quantité non négligeable de MnO.
[0021] Le molybdène peut être ajouté à la composition de l'acier inoxydable austénitique
pour améliorer la tenue en corrosion, avec une teneur maximale de 3%.
[0022] Le cuivre peut être également ajouté à la composition de l'acier selon l'invention
car il améliore les propriétés de déformation à froid et de ce fait, stabilise l'austénite.
Cependant le teneur en cuivre est limitée à 4% pour éviter des difficultés de transformation
à chaud car le cuivre abaisse sensiblement la limite supérieure de température de
réchauffage de l'acier avant laminage.
[0023] Les intervalles en oxygène total, aluminium et calcium permettent, selon l'invention,
d'obtenir des inclusions de type silicate de manganèse contenant une fraction non
nulle de Al
2O
3 et de CaO. L'aluminium et le calcium contenus dans la composition de l'acier assurent,
dans les inclusions recherchées, la présence de plus de 1% de CaO et plus de 5% de
Al
2O
3.
[0024] Les valeurs des teneurs en oxygène total sont selon l'invention comprises entre 40
ppm et 120 ppm.
[0025] Pour une teneur en oxygène total inférieure à 40 ppm, l'oxygène fixe les éléments
magnésium, calcium, aluminium et ne forme pas d'inclusion d'oxydes riches en SiO
2 et MnO.
[0026] Pour une teneur en oxygène total supérieure à 120 ppm, il y aura dans la composition
des oxydes plus de 4% de Cr
2O
3, ce qui favorise la cristallisation que l'on cherche à éviter.
[0027] La teneur en calcium est inférieure à 5. 10
-4% de façon que les inclusions recherchées ne contiennent pas plus de 30% de CaO.
[0028] La teneur en aluminium est inférieure à 5.10
-4% pour éviter que les inclusions recherchées contiennent plus de 25% de Al
2O
3, ce qui favorise également une cristallisation non désirée.
[0029] Il est concevable, après avoir réalisé selon un procédé conventionnel et économique,
un acier contenant des inclusions de type oxyde et sulfure, de le raffiner pour faire
disparaître ces inclusions en utilisant des procédés de refusion lents et peu rentables
économiquement tels que les procédés de refusion sous vide (Vacuum Argon Remelting
) ou de refusion sous laitier ( Electro Slag Remelting ).
[0030] Ces procédés de refusion ne permettent d'éliminer que partiellement, par décantation
dans la flaque de liquide, les inclusions déjà présentes sans modifier leur nature
et leur composition.
[0031] L'invention concerne un acier inoxydable austénitique contenant des inclusions de
composition choisie obtenue volontairement, la composition étant en relation avec
la composition globale de l'acier, de telle sorte que les propriétés physiques de
ces inclusions favorisent leur déformation lors de la transformation à chaud de l'acier.
[0032] Selon l'invention, l'acier inoxydable austénitique contient des inclusions de composition
déterminée qui ont leur point de ramollissement proche de la température de laminage
de l'acier et telles que l'apparition de cristaux plus durs que l'acier à la température
de laminage comme notamment les composées définis, SiO
2, sous forme de tridymite, christobalite, quartz; 3CaO-SiO
2; CaO; MgO; Cr
2O
3; anorthite, mullite, gehlenite, corindon, spinelle du type Al
2O
3-MgO ou Al
2O
3-Cr
2O
3-MnO-MgO; CaO-Al
2O
3; CaO-6Al
2O
3; CaO-2Al
2O
3; TiO
2 est inhibée.
[0033] Selon l'invention, l'acier contient principalement des inclusions d'oxyde de composition
telle que celles-ci forment un mélange vitreux ou amorphe pendant toutes les opérations
successives de mise en forme de l'acier. La viscosité des inclusions choisies est
suffisante pour que la croissance des particules cristallisées d'oxydes dans les inclusions
résultantes de l'invention soit totalement inhibée du fait que, dans une inclusion
d'oxyde, la diffusion à courte distance est faible et les déplacements convectifs
sont très limités. Ces inclusions restées vitreuses dans le domaine de température
des traitements à chaud de l'acier présentent également une dureté et un module d'élasticité
plus faibles que des inclusions cristallisées de composition correspondante. Ainsi
les inclusions peuvent être encore déformées, écrasées et allongées, lors d'opération
par exemple de tréfilage, et la concentration de contraintes au voisinage des inclusions
est fortement diminuée, ce qui atténue de façon importante le risque d'apparition,
par exemple, de fissures de fatigue ou des casses au tréfilage.
[0034] Selon l'invention, l'acier inoxydable austénitique contient des inclusions d'oxydes
de composition définie telle que leur viscosité dans le domaine des températures de
laminage à chaud de l'acier ne soit pas trop élevée. De ce fait, la contrainte d'écoulement
de l'inclusion est nettement plus faible que celle de l'acier dans les conditions
de laminage à chaud dont les températures sont généralement comprises entre 800°C
et 1350°C. Ainsi les inclusions d'oxydes se déforment en même temps que l'acier lors
du laminage à chaud et donc après laminage, ces inclusions sont parfaitement allongées,
et d'épaisseur très faible, c'est à dire inférieure à 5 ou 10 micromètres, ce qui
permet d'éviter tout problème de casse lors, par exemple, d'une opération de tréfilage.
[0035] Les inclusions décrites ci-dessus sont selon l'invention, réalisées avec les moyens
d'élaboration classiques et très productifs d'une aciérie électrique pour aciers inoxydables
tels que four électrique, convertisseur AOD ou VOD, métallurgie en poche et coulée
continue.
[0036] Avec les procédés classiques d'élaboration et de coulée, décrits précédemment, la
distribution en taille des inclusions sur le produit brut de coulée est relativement
indépendante de la composition de celles-ci. Donc, avant laminage à chaud, on retrouve
dans les aciers les mêmes tailles et la même distribution d'inclusions.
[0037] Les inclusions d'oxydes ci dessous présentant les propriétés favorables décrites
sont selon l'invention composées d'un mélange vitreux de SiO
2; MnO, CaO, Al
2O
3, MgO, Cr
2O
3,
,TiO
2 et éventuellement, de trace de FeO, dans les proportions pondérales suivantes :
- 40% ≤ SiO2 ≤ 60%
- 5% ≤ MnO ≤ 50%
- 1% ≤ CaO ≤30%
- 0% ≤ MgO ≤ 4%
- 5% ≤ Al2O3 ≤ 25%
- 0% ≤ Cr2O3 ≤ 4%
- 0% ≤ TiO2 ≤ 4% .
[0038] Si la teneur en SiO
2 est inférieure à 40%, la viscosité des inclusions d'oxydes est trop faible et le
mécanisme de croissance de cristaux d'oxyde n'est pas inhibé. Si SiO
2 est supérieur à 60%, il se forme des particules nocives très dures de silice sous
forme de trydimite ou de christobalite ou de quartz.
[0039] La teneur en MnO, comprise entre 5% et 50% permet d'abaisser fortement le point de
ramollissement du mélange d'oxydes contenant notamment SiO
2, CaO, Al
2O
3 et favorise la création d'inclusions qui restent dans un état vitreux dans les conditions
de laminage de l'acier selon l'invention.
[0040] Lorsque la teneur en CaO est supérieure à 30%, il se forme des cristaux de CaO-SiO
2 ou (Ca,Mn)O-SiO
2.
[0041] Pour une teneur en MgO supérieur à 4%, il se forme des cristaux de MgO; 2MgO-SiO
2; MgO-SiO
2; Al
2O
3-MgO, qui sont des phases extrêmement dures.
[0042] Si Al
2O
3 est inférieur à 5%, il se forme des cristaux de wollastonite et lorsque Al
2O
3 est supérieur à 25%, apparaissent des cristaux de mullite, d'anorthite, de corindon,
de spinelles notamment de type Al
2O
3-MgO ou Al
2O
3-Cr
2O
3-MgO-MnO ou bien encore d'aluminates du type CaO-6Al
2O
3 ou CaO-2Al
2O
3 ou CaO-Al
2O
3, ou de gehlenite.
[0043] Avec plus de 4% de Cr
2O
3 apparaissant également des cristaux durs de Cr
2O
3 ou Al
2O
3-Cr
2O
3-MgO-MnO , CaO-Cr
2O
3, MgO-Cr
2O
3. Selon une forme de l'invention la teneur en soufre doit être inférieure ou égale
à 50.10
-4% pour obtenir des inclusions de sulfure d'épaisseur ne dépassant pas 5 µm sur produit
laminé. En effet, les inclusions de type sulfure de manganèse et de chrome sont parfaitement
déformables dans les conditions de l'invention.
[0044] Les inclusions de type oxyde et sulfure sont généralement considérées comme néfastes
vis à vis des propriétés d'emploi pour le tréfilage en fil fin et pour la tenue en
fatigue, notamment, en flexion et/ou en torsion. Il est usuel de caractériser la concentration
en inclusions de type oxyde et sulfure par l'observation d'une coupe polie en sens
long de laminage sur un fil machine laminé à chaud de diamètre compris entre 5 et
10 mm. On appelle propreté inclusionnaire le résultat de cette caractérisation réalisée
selon différentes normes en fonction de l'utilisation finale.
[0045] Pour une inclusion observée, sur coupe polie de fil laminé, on mesure sa longueur
et son épaisseur, puis on définit un facteur de forme qui est le rapport de la longueur
sur l'épaisseur. Pour une inclusion qui s'est très bien déformée au cours des opérations
de laminage, le facteur de forme est en général très élevé, c'est à dire pouvant atteindre
100 et plus, en conséquence, l'épaisseur de l'inclusion est extrêmement faible. Au
contraire, une inclusion qui ne se déforme pas ou subit une faible déformation est
caractérisée par un facteur de forme peu élevé, c'est à dire de l'ordre de 1, donc,
l'épaisseur de l'inclusion reste élevée et du même ordre de grandeur que la taille
de l'inclusion originelle sur produit brut de coulée. En conséquence, dans la suite
de la description, on retient comme critère de caractérisation simple et efficace
vis à vis des propriétés d'emploi du fil laminé, l'épaisseur de chaque inclusion observée
sur le fil laminé.
[0046] Les figures 1 et 2 présentent respectivement sur une coupe polie sens long de fil
laminé de diamètre 5,5 mm, un exemple d'inclusions très épaisses et peu déformées
et un exemple d'inclusions fines et très bien déformées contenues dans l'acier selon
l'invention.
[0047] La figure 1 présente un exemple d'inclusions très épaisses et peu déformées mises
en évidence sur un fil laminé de 5,5 mm de diamètre.
[0048] La figure 2 présente un exemple d'inclusions trés bien déformées mises en évidence
sur un fil laminé de diamètre 5,5 mm
[0049] Ces dernières inclusions ne présentent pas de nocivité vis à vis des applications
de tréfilage fin en fil de diamètre inférieur à 0,3 mm ou de pièces soumises à la
fatigue telles que des ressorts, renforts de pneumatique.
[0050] Il a été mis en évidence que l'ensemble des compositions ne satisfont pas, de manière
fiable, les caractéristiques acceptables pour la réalisation de fil et pour des pièces
soumises à fatigue. Selon la sélection des compositions, aussi bien pour les éléments
résiduels que pour la composition des inclusions après élaboration de l'acier il est
défini les critères de qualité inclusionnaire.
[0051] Le titane, le magnésium, le soufre, sont présents en quantités résiduelles et pourraient
ne pas être contenus dans la composition de l'acier et par delà, dans la composition
des inclusions.
[0052] Les tableaux 1 et 2 suivants présentent des aciers montrant l'influence de la composition
de l'acier et de la composition des inclusions d'oxydes sur l'aptitude au tréfilage
et à la tenue en fatigue. Il a été choisie la composition de base suivante dite composition
de travail.
| % C |
0.072 |
| % N |
0.052 |
| % Si |
0,771 |
| % Mn |
0,736 |
| % Cr |
18,522 |
| % Ni |
8,773 |
| % Mo |
0.210 |
| % Cu |
0.310 |
TABLEAU 1
| ACIER |
1 |
2 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
| Ot ppm |
17 |
39 |
39 |
53 |
87 |
123 |
71 |
| Al ppm |
11 |
5 |
5 |
8 |
7 |
5 |
7 |
| Ca ppm |
4 |
7 |
7 |
6 |
8 |
1 |
2 |
| Mg ppm |
2 |
1 |
1 |
1 |
2 |
0,8 |
0,4 |
| Ti ppm |
4 |
8 |
8 |
7 |
45 |
2 |
38 |
| S ppm |
71 |
47 |
47 |
61 |
27 |
41 |
53 |
| nature des inclusions |
|
|
|
|
|
|
|
| %SiO2 |
25,6 |
25,2 |
|
29,1 |
18,6 |
47,4 |
9 |
| %CaO |
40,0 |
41,1 |
|
23,1 |
8,7 |
1,2 |
2,9 |
| %MnO |
0,7 |
|
2,5 |
7,4 |
8,8 |
32,3 |
6,7 |
| %Al2O3 |
21,1 |
28,1 |
71 |
27 |
8,1 |
7,2 |
8,8 |
| %MgO |
12,0 |
2,6 |
26,5 |
4,5 |
2,6 |
1,1 |
0,8 |
| %Cr2O3 |
0,1 |
|
|
1,6 |
6 |
8,7 |
7,5 |
| %TiO2 |
0,5 |
3 |
|
7,1 |
44.9 |
2,1 |
56,3 |
TABLEAU 2
| ACIER |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
| Ot ppm |
71 |
95 |
53 |
113 |
43 |
68 |
| Al ppm |
4 |
5 |
3 |
5 |
3 |
3 |
| Ca ppm |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
2 |
| Mg ppm |
0,3 |
0,4 |
0,3 |
0,5 |
0,2 |
0,2 |
| Ti ppm |
2 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
| S ppm |
13 |
33 |
24 |
38 |
21 |
45 |
| nature des inclusions |
|
|
|
|
|
|
| %SiO2 |
41,2 |
47,5 |
41 |
48,9 |
40,9 |
42,4 |
| %CaO |
14,1 |
10,1 |
25,6 |
7,5 |
29,2 |
10,4 |
| %MnO |
18,3 |
24,7 |
10,2 |
28,1 |
7,8 |
15,6 |
| %Al203 |
17,9 |
11,6 |
16,5 |
8 |
17,7 |
23,2 |
| %MgO |
1,7 |
1,0 |
3,1 |
0,6 |
2,5 |
1,6 |
| %Cr2O3 |
4 |
3,8 |
2 |
3,6 |
1,4 |
3,3 |
| %TiO2 |
2,9 |
1,3 |
1,6 |
3,4 |
0,5 |
3,5 |
[0053] Le tableau 1 présente des compositions d'aciers considérées de qualité médiocre dans
le domaine de l'aptitude au tréfilage et celle de la tenue en fatigue. Le tableau
2 présente des compositions d'acier selon l'invention ayant une propreté inclusionnaire
générant une qualité remarquable dans les deux domaines en question.