Acier inoxydable ferritique au soufre, utilisable pour des pieces ferromagnétiques

Abstract

 Acier inoxydable ferritique au soufre utilisable pour des pièces ferromagnétiques caractérisé en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale:

C ≤ 0,030%

1,0% < Si ≤ 3%

0,1% < Mn ≤ 0,5%

10% ≤ Cr ≤ 13%

0% < Ni <1%

0,03 < S < 0,5%

0% < P ≤ 0,030%

0,2% < Mo ≤ 2%

0% <Cu ≤ 0,5%

0% < N ≤ 0,030%

0% <Ti ≤ 0,5%

0% <Nb ≤ 1%,

0% < Al ≤ 100.10-4%

30.10-4% < Ca ≤100.10^-4%

50.10-4% < O ≤150 10^-4%

• le rapport entre la teneur en calcium et en oxygène Ca/O étant

  0,3 ≤ Ca/O ≤ 1,

le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier, ainsi qu'un procédé de fabrication de pièces ferromagnétiques.

Description

[0001] La présente invention concerne un acier inoxydable ferritique au soufre utilisable pour des pièces ferromagnétiques.

[0002] Les aciers inoxydables ferritiques se caractérisent par une composition déterminée, la structure ferritique étant notamment assurée, après laminage et refroidissement de la composition, par un traitement thermique de recuit leur conférant ladite structure.

[0003] Parmi les grandes familles d'aciers inoxydables ferritiques, définies notamment en fonction de leur teneur en chrome et en carbone, nous citons :

• les aciers inoxydables ferritiques pouvant contenir jusqu'à 0,17% de carbone. Ces aciers, après le refroidissement qui suit leur élaboration, ont une structure biphasée austéno-ferritique. Ils peuvent cependant être transformés en aciers inoxydables ferritiques après recuit malgré une teneur en carbone élevée.
• les aciers inoxydables ferritiques dont la teneur en chrome et de l'ordre de 11 ou 12 %. Ils sont assez proches des aciers martensitiques contenant 12 % de chrome, mais différents par leur teneur en carbone qui est relativement faible.

[0004] Lors du laminage des aciers à chaud, la structure de l'acier peut être biphasée, ferritique et austénitique. Si le refroidissement est, par exemple énergique, la structure finale est ferritique et martensitique. S'il est plus lent, l'austénite se décompose partiellement en ferrite et carbures, mais avec une teneur en carbure plus riche que la matrice environnante, l'austénite ayant solubilisé à chaud plus de carbone que la ferrite. Dans les deux cas, un revenu ou recuit doit donc être pratiqué sur les aciers laminés à chaud et refroidis pour générer une structure totalement ferritique. Le revenu peut se faire à une température d'environ 820°C inférieure à la température Ac1 de transition alpha → gamma, ce qui engendre une précipitation de carbures.

[0005] Dans le domaine des aciers ferritiques destinés à une application utilisant des propriétés magnétiques, la structure ferritique est obtenue en limitant la quantité de carbures, c'est pour cela que les aciers inoxydables ferritiques, développés dans ce domaine, ont une teneur en carbone inférieure 0,03%.

[0006] Il est connu des aciers utilisables pour leurs propriétés magnétiques comme par exemple dans le document US 5 769 974 qui décrit un procédé de fabrication d'un acier ferritique résistant à la corrosion et pouvant réduire la valeur du champ coercitif dudit acier. Les domaines de composition présentés sont très larges et ne définissent pas un domaine d'optimisation des propriétés nécessaires aux applications pour pièces ferromagnétiques. L'acier utilisé dans le procédé est un acier du type resulfuré. L'acier obtenu par le procédé qui contient du soufre est cependant sensible à la corrosion.

[0007] Il est connu aussi le brevet US 5 091 024 dans lequel il est présenté des articles magnétiques résistant à la corrosion formés d'un alliage consistant essentiellement en une composition à faible teneur en carbone et faible teneur en silicium, c'est-à-dire respectivement inférieures à 0,03% et 0,5%. Or, dans le domaine magnétique, il est important que l'acier contienne une forte teneur en silicium pour augmenter la résistivité du matériau et réduire les courants de Foucault.

[0008] Il est également connu le brevet FR 94 06 590 concernant un acier ferritique pour une application dans le domaine du décolletage pour une usinabilité améliorée, mais les domaines de composition présentés sont très larges et ne définissent pas un domaine d'optimisation des propriétés nécessaires aux applications pour pièces ferromagnétiques.

[0009] La présente invention a pour but de présenter un acier inoxydable de structure ferritique au soufre, utilisable pour des pièces magnétiques ayant de hautes propriétés magnétiques et présentant de très bonnes propriétés d'usinabilité et de résistance à la corrosion.

[0010] L'invention a pour objet un acier inoxydable ferritique au soufre utilisable pour des pièces ferromagnétiques qui se caractérise en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale :

• le rapport entre la teneur en calcium et en oxygène Ca/O étant
  
  le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier. Les autres caractéristiques de l'invention sont :
• l'acier contient des inclusions de silico-aluminale de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou gehlénite, associées à des inclusions du type sulfure de chrome et manganèse.
• de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur en silicium comprise entre 1,5% et 2%.
• de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur en chrome comprise entre 11,8% et 13%.
• de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur en soufre comprise entre 0,10% et 0,5%, de façon plus particulièrement préférée entre 0,10 et 0,30%.
• de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur en molybdène comprise entre 0,4% et 1%.
• de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur en manganèse inférieure ou égale à 0,3%.

[0011] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce formée dans un acier ferritique dont la composition pondérale est confirme à l'invention et peut être soumise, après laminage à chaud et refroidissement, à une modification de section du type tréfilage ou étirage,soit après un traitement thermique facultatif de recuit soit sans traitement thermique de recuit.

[0012] L'acier tréfilé ou étiré peut être ultérieurement soumis à un recuit complémentaire de recristallisation pour parfaire les propriétés magnétiques de la pièce.

[0013] La description qui suit et la figure unique, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, feron bien comprendre l'invention.

[0014] La figure unique présente un diagramme ternaire donnant la composition générale des inclusions d'aluminosilicates de chaux.

[0015] L'invention concerne un acier de composition générale suivante :



























   le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.

[0016] Les compositions ainsi définies avec des fourchettes serrées permettent d'obtenir les propriétés nécessaires aux applications pour pièces ferromagnétiques.

[0017] Du point de vue métallurgique, certains éléments contenus dans la composition d'un acier favorisent l'apparition de la phase ferritique de structure cubique centrée. Ces éléments sont dits alpha-gènes. Parmi ceux-ci figurent notamment le chrome et le molybdène. D'autres éléments dits gamma-gènes favorisent l'apparition de la phase gamma-austénitique de structure cubique à faces centrées. Parmi ces éléments figurent le nickel ainsi que le carbone et l'azote. Il est donc nécessaire de réduire la teneur de ces éléments et c'est pour ces raisons que l'acier selon l'invention comporte dans sa composition moins de 0,030% de carbone, moins de 1% de nickel, moins de 0,030% d'azote.

[0018] Le carbone est néfaste pour la corrosion et l'usinabilité. De manière générale les précipités doivent être réduits car ils constituent, du point de vue des propriétés magnétiques, un obstacle aux mouvements des parois de Blocks.

[0019] Concernant les autres éléments de la composition, le nickel, le manganèse, dus à l'élaboration industrielle de l'acier ne sont que des éléments résiduels qu'on cherche à réduire et même à éliminer.

[0020] Le titane et ou le niobium forment des composés dont le carbure de titane et ou de niobium, ce qui évite la formation de carbures et de nitrures de chrome. Ils favorisent, de ce fait, la tenue à la corrosion et notamment la tenue en corrosion des soudures, lorsqu'une soudure est nécessaire à l'élaboration d'une pièce magnétique.

[0021] Le soufre sous forme de sulfures favorise le fractionnement des copeaux et améliore la durée de vie des outils d'usinage. Cependant, sous forme de sulfure de manganèse, il dégrade les propriétés de résistance à la corrosion. Introduit sous forme de sulfure de chrome manganèse avec chrome majoritaire, l'action favorable sur l'usinabilité est conservée et l'effet défavorable sur la résistance à la corrosion est fortement atténuée.

[0022] Le silicium est nécessaire pour augmenter la résistivité de l'acier afin de réduire les courants de Foucault ; il est favorable pour la tenue à la corrosion. Une teneur supérieure à 1,5% est préférable.

[0023] Les aciers selon l'invention peuvent également contenir de 0,2% à 2% de molybdène, élément améliorant la résistance à la corrosion et favorisant la formation de la ferrite.

[0024] Dans le domaine de leur utilisation, les aciers inoxydables ferritiques posent des problèmes d'usinabilité.

[0025] En effet, un gros inconvénient des aciers ferritiques est la mauvaise conformation du copeau. Ils produisent des copeaux longs et enchevêtrés, qui sont très difficiles à fragmenter. Cet inconvénient peut devenir très pénalisant dans des modes d'usinages où le copeau est confiné, comme par exemple dans le perçage profond, le tronçonnage.

[0026] Selon l'invention, une solution pour pallier les problèmes d'usinage des aciers ferritiques est d'introduire du soufre dans leur composition. Selon l'invention, l'acier inoxydable ferritique au soufre contient, en outre, dans sa composition, en poids, plus de 30 10^-4% calcium et plus de 50 10^-4% d'oxygène.

[0027] L'introduction de façon contrôlée et volontaire de calcium et d'oxygène vérifiant la relation 0,3 ≤ Ca/O ≤ 1 favorise dans l'acier ferritique, la formation d'oxydes malléables du type silicoaluminates de chaux comme présenté sur la figure 1 qui est un diagramme ternaire Al₂O₃ ; SiO₂ ; CaO, les oxydes malléables étant choisis dans la zone du point triple anorthite, gehlenite, pseudo-wollastonite.

[0028] La présence de calcium et oxygène réduit de façon conséquente la formation des inclusions dures et abrasives de type chromite, alumine, silicate. Par contre, la présence dans l'acier selon l'invention, d'inclusions de silicoaluminates de chaux favorise le fractionnement des copeaux et améliore la durée de vie des outils de coupe.

[0029] On a constaté que l'introduction d'oxydes à base de calcium dans un acier de structure ferritique, en remplacement des oxydes durs existants, ne modifie que très peu les caractéristiques de l'acier ferritique dans le domaine des propriétés magnétiques.

[0030] La faible teneur en manganèse favorise la formation d'inclusions de sulfure de manganèse et chrome dans lesquelles le chrome est majoritaire ou prépondérant, ce qui améliore fortement la résistance à la corrosion par piqure en milieu chloruré.

[0031] La présence d'oxydes et sulfures dits malléables dans un acier ferritique, entraîne également, des avantages dans le domaine du tréfilage et étirage.

[0032] En effet, les inclusions malléables sont susceptibles de se déformer dans le sens du laminage, alors que les oxydes durs restent en forme de grains.

[0033] Dans le domaine du tréfilage de fils d'acier ferritique de faible diamètre, les inclusions choisies selon l'invention réduisent de manière conséquente le taux de casse du fil tréfilé.

[0034] Dans un autre domaine d'application, par exemple dans des opérations de polissage, les inclusions dures s'incrustent dans l'acier ferritique et provoquent des sillons en surface.

[0035] L'acier ferritique, selon l'invention comportant des inclusions malléables de silicoaluminates de chaud associées à des sulfures manganèse-chrome, peut être poli avec beaucoup plus d'aisance pour l'obtention d'un état de surface poli amélioré.

[0036] L'acier peut être élaboré par fusion électrique puis coulé en continu pour former des blooms.

[0037] Les blooms sont ensuite soumis à un laminage à chaud pour la formation, par exemple de fil machine ou de barres.

[0038] Un recuit peut être pratiqué pour assurer les opérations de transformation à froid du produit par exemple tréfilage et étirage, mais il n'est pas indispensable.

[0039] L'acier peut être soumis à un recuit complémentaire de recristallisation pour restaurer et parfaire les propriétés magnétiques. Suit alors un traitement de surface.

[0040] Dans un exemple d'application, il a été élaboré trois aciers selon l'invention référencés acier 1, acier 2 et acier 3, ainsi que quatre aciers de référence A B C et D dont les compositions sont représentées dans le tableau 1 suivant

Tableau 1 :

%	C	Cr	Si	Mo	Mn	P	N	S	Ni	Cu	Ti	Nb	Ca	O
Acier 1	0,011	12,2	1,6	0,47	0,22	0,015	0,007	0,180	0,106	0,08	0,003	0,002	0,0051	0,0067
Acier 2	0,009	12,5	1,7	0,55	0,23	0,014	0,008	0,210	0,088	0,05	0,002	0,002	0,0053	0,0076
Acier 3	0,011	12,2	1,6	0,47	0,22	0,015	0,007	0,180	0,106	0,08	0,003	0,002	0,0051	0,0067
RefA	0,015	17,4	1,25	0,35	0,5	0,02	0,02	0,28	0,3	0,1	0,003	0,002	0,002	0,006
Ref B	0,016	17,5	1,37	1,53	0,38	0,018	0,017	0,277	0,29	0,06	0,003	0,003	0,0017	0,007
Ref C	0,011	11,9	1,47	0,49	0,22	0,015	0,007	0,029	0,126	0,06	0,003	0,002	0,0062	0,012
RefD	0,011	12,2	0,81	0,31	0,47	0,018	0,01	0,29	0,13	0,07	0,003	0,003	0,0012	0,0052

[0041] Ces aciers ont été transformés en barres de diamètre 10 mm selon le procédé suivant :

• un laminage à chaud de rond de 11 mm,
• un recuit, excepté pour l'acier 3,
• un étirage en diamètre de 10 mm,
• un recuit final,
• un dressage et une rectification,

puis ils ont été caractérisés en propriétés magnétiques en usinabilité et en corrosion.

[0042] Les aciers 1, 2 et 3 selon l'invention ont de meilleures caractéristiques magnétiques que les aciers de référence A, B et D, comme présenté sur le tableau 2 suivant.

Tableau 2

Acier	Hc(A/m) Champ coercitif	perméabilité relative µr
Acier 1	117	2300
Acier 2	120	2200
Acier 3	125	2100
Ref A	184	1200
Ref B	177	1300
Ref C	115	2100
Ref D	140	1600

[0043] Ces caractéristiques sont dues à une faible teneur en éléments d'addition en particulier une teneur en chrome d'environ 12% ainsi qu'à une teneur relativement modérée en soufre.

[0044] Les aciers 1, 2 et 3 ont un excellent comportement en usinage par décolletage, grâce à la combinaison de la teneur en soufre et de la présence d'inclusions de silicoaluminates de chaux due aux teneurs en calcium et oxygène.

[0045] Les aciers 1, 2 et 3 se comportent bien dans le domaine de la corrosion, malgré leur faible teneur en chrome, comme on peut le remarquer sur le tableau 3 suivant, grace à leur teneur relativement limitée en soufre alliée à une teneur basse en manganèse favorisant la présence de sulfures riches en chrome.

Tableau 3

	Potentiel de piqure dans NaCI 0.02M à 23°C	I corrosion dans H2SO4 2M à 23°C
Acier 1	180 mV / ECS	20 mA/cm2
Acier 2	175 mV / ECS	17 mA/cm2
Acier 3	180 mV / ECS	20 mA/cm2
Réf A	205 mV / ECS	24 mA/cm2
Réf B	330 mV / ECS	6 mA/cm2
Réf C	215 mV / ECS	11 mA/cm2
Réf D	150 mV / ECS	40 mA/cm2

[0046] En résumé, l'acier selon l'invention est défini avec des fourchettes analytiques serrées, pour optimiser des propriétés souvent incompatibles: excellentes propriétés en magnétisme et usinage, tout en ayant un bon comportement en corrosion grace à leur teneur relativement limitée en soufre, compensée pour l'usinabilité, par leur teneur en calcium et oxygène et la présence d'inclusions de silicoaluminates de chaux, alliée à une teneur basse en manganèse favorisant la présence de sulfures riches en chrome.

[0047] L'acier, selon l'invention, est utilisable particulièrement pour la fabrication de pièce ferromagnétique comme par exemple, des pièces d'électrovannes, d'injecteur pour système d'injection directe d'essence, de fermetures centralisées de porte dans le domaine de l'automobile ou toute application nécessitant des pièces du type noyau magnétique ou inducteur. Sous la forme de feuille, il peut être utilisé dans des transformateurs de courant ou des blindages magnétiques.

Revendications

1. Acier inoxydable ferritique utilisable pour des pièces ferromagnétiques caractérisé en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale :

- le rapport entre la teneur en calcium et en oxygène Ca/O étant

le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.

2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier contient des inclusions de silico-aluminale de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou gehlénite, associées à des inclusions du type sulfure de chrome et manganèse.

3. Acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans sa composition pondérale une teneur en silicium comprise entre 1,5% et 2%.

4. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans sa composition pondérale une teneur en chrome comprise entre 11,8% et 13%.

5. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans sa composition pondérale une teneur en soufre comprise entre 0,10% et 0,5%.

6. Acier selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans sa composition pondérale une teneur en soufre comprise entre 0,10% et 0,3%.

7. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans sa composition pondérale une teneur en molybdène comprise entre 0,4% et 1%.

8. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans sa composition pondérale une teneur en manganèse inférieure à 0,3%.

9. Procédé de fabrication d'une pièce formée dans un acier ferritique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'acier est soumis, après laminage à chaud et refroidissement, à une modification de section du type tréfilage ou étirage, soit après un traitement thermique facultatif de recuit soit sans traitement thermique de recuit.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'acier tréfilé ou étiré peut être ultérieurement soumis à un recuit complémentaire de recristallisation pour parfaire les propriétés magnétiques de ladite pièce.

Dessins