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(11) | EP 0 170 598 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Procédé de fabrication de barres ou de fil machine en acier inoxydable martensitique et produits correspondants |
| (57) L'invention concerne un procédé de fabrication de barres ou fil machine en acier
inoxydable martensitique et les produits obtenus par laminage à chaud. Dans le procédé, l'acier élaboré a comme composition (% en poids): C = 0,015 à 0,090 % et N = 0,015 à 0,080 % avec C + N 0,050 à 0,120 % Cr = 9,0 à 14,0 % Nb ≤ 0,1 %; ≤ 0,1 %; V ≤ 0,1 %; S ≤ 0,35 %; Si ≤ 1,0 ≤; Mn ≤ 1,0 %; Ni ≤ 2,0 %; Mo ≤ 1,0 %; P ≤ 0,040 %; Cu ≤ 1,0 %; autres éléments et Fe : le solde. Le préchauffage ou la fin du dégrossissage à chaud précédant le laminage à chaud final porte le produit entre 1050°C%, et 1160°C, le laminage à chaud final produit une réduction de section "S/s" ≤ 3 et est suivi d'un refroidissement homogène à l'air ou avec un moyen utilisant de l'air. Lorsque S ≤ 0,08 %, les barres ou le fil machine de l'invention ont comme caractéristiques mécaniques : R = 900 à 1100 MPa; E 0,2 = 650 à 850 MPa; A = 12 à 16 %; résilience KCU = 80 à 140 J/cm2. Les barres ou fils machine de l'invention sont utilisés notamment pour la fabrication de pièces mécaniques résistant à la corrosion. |
[0001] Le procédé de la présente invention concerne une méthode de fabrication de barres ou de fil machine en acier inoxydable.
ETAT DE LA TECHNIQUE CONNU
[0002] Les aciers inoxydables martensitiques usuels présentant une bonne résistance mécanique correspondent aux appellations selon la norme NF A 35-575 : "Z12C13" ."Z20C13" - "Z30C13", avec globalement C 0,08 à 0,34 % et Cr 11,5 à 14,0 %. Ce sont des aciers martensitiques, c'est-à-dire ayant une structure à prédominance de martensite.
[0003] Après laminage à chaud et refroidissement, ils sont durs et fragiles, et pour leur conférer une bonne résistance mécanique, on leur applique un traitement de trempe, puis un revenu, tels que :
- chauffage à 950 à 1050°C
- trempe à l'huile
- revenu entre 550 et 650°C
et on aboutit aux caractéristiques typiques suivantes :
R - 900 à 1100 MPa - E 0,2 - 650 à 850 MPa - A - 12 à 16 % et résilience KCU - 20 à 60 J/cm2.
[0004] Cette résilience qui rend en partie compte de la ténacité est médiocre, et on ne peut l'améliorer en restant dans le domaine des aciers inoxydables qu'en recourant à des aciers plus coûteux tels que "Z6CND 16-04" (norme NF A 35-581) et "Z6CNU 17-04-01" (norme NF A 35-574), qui à l'état trempé-revenu donnent des caractéristiques (R, E, A) du même niveau que les précédentes avec une résilience KCU améliorée : 80 à 140 J/cm2.
EXPOSE DU PROBLEME
[0005] On a cherché à obtenir des barres à environ 13 % Cr ayant des caractéristiques mécaniques du même niveau que celles des aciers inoxydables plus coûteux "Z6CND 16-06" et "Z6CNU 17-04-01", en simplifiant ou en évitant le traitement thermique de trempe + revenu. On a ainsi recherché à obtenir des barres martensitiques en acier inoxydable à environ 13 % Cr possédant tout à la fois une bonne résistance mécanique, une bonne ductilité, et de façon nouvelle une bonne résilience, avec des conditions de fabrication économiques.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0006] L'invention consiste en une sélection de composition et en la fixation de conditions de laminage à chaud qui conduisent de façon surprenante aux niveaux de propriétés recherchées dans l'état brut de laminage à chaud.
[0007] Les conditions de compoeition et les conditions de laminage sont les unes et les autres nécessaires pour l'obtention de ces propriétés. Les examens métallurgiques effectués permettent de donner des indications qualitatives sur les effets de ces conditions, effets qui paraissent complexes, et d'indiquer des limites pratiques pour les conditions du procédé de l'invention et les caractéristiques des produits correspondants.
[0008] Les aciers inoxydables et semi-inoxydables de l'invention ont les compositions suivantes (% en poids), les intervalles préférentiels indiqués pouvant être pris séparément ou en combinaison quelconque :
- C - 0,015 à 0,090 % et de préférence 0,030 à 0,060 %
- N - 0,015 à 0,080 % et de préférence 0,020 à 0,050 % avec C + N - 0,05 à 0,120 % et de préférence C + N - 0,050 à 0,100%
- Cr - 9,0 à 14,0 % et de préférence 11,0 à 14,0 % et de préférence encore 11,5 à 13,5 %
- Nb ≤ 0,1 %
- V ≤ 0,1 %
- S ≤ 0,35 % avec 3 intervalles préférentiels
S ≤ 0,03 % caractéristiques optimales
S - 0,03 à 0,08 % caractéristiques mécaniques peu modifiées, usinabilité améliorée
0,08 < S ≤ 0,35 %, résilience moins bonne, usinabilité renforcée
- Si ≤ 1,0 % - Mn ≤ 1,0 % - Ni < 2,0 % et de préférence 1,0 % - Mo ≤ 1,0%
- P ≤ 0,040 %
- Cu ≤ 1,0 %
- autres éléments et Fe : le solde.
[0009] Les "autres éléments" sont dans les teneurs habituelles à une élaboration en aciérie électrique à partir de ferrailles, leur total est habituellement inférieur à 0,5 %. En particulier, la teneur en Al résiduel est inférieure à 0,1 %.
[0010] L'ajustement de la teneur totale "C + N" est un point essentiel de l'invention : elle permet d'élever la résistance mécanique (R, E 0,2) du produit obtenu et de conserver une bonne résilience (KCU). Un exemple montrera l'influence néfaste sur la résilience d'un "C + N" trop élevé.
[0011] Lorsque l'acier est chargé en S, et spécialement lorsque sa teneur en S est comprise entre 0,08 et 0,30 %, le procédé de l'invention permet d'obtenir des barres brutes de laminage à chaud ou du fil machine qui ont encore des caractéristiques mécaniques très intéressantes. Avec une usinabilité améliorée. ces produits ont en effet des propriétés mécaniques (R, E) d'un très bon niveau avec une résilience d'autant plus faible que la teneur en S est élevée, mais globalement supérieure à 40 J/cm2.
[0012] Des additions éventuelles Nb ≤ 0.1 % et V ≤ 0,1 % ont un effet durcisseur se traduisant essentiellement par une amélioration de la charge de rupture "R" et surtout de la limite élastique à 0,2 % "E 0,2".
[0013] Une addition de nickel peut être faite si le coût n'en est pas jugé excessif, principalement pour améliorer la résilience. Une telle addition tend à diminuer la proportion de ferrite dans la structure martensite/ferrite.
[0014] Les conditions de laminage nécessaires pour obtenir les caractéristiques mécaniques des barres ou fils machine selon l'invention sont les suivantes : après le cégrossissage à chaud éventuel du produit, suivi ou non d'un refroidissement, le produit doit être porté à température comprise entre 1050°C et 1160°C avant de subir le laminage à chaud final, cette mise préalable à température étant obtenue soit par un préchauffage ou réchauffage, soit par des conditions de dégrossissage entraînant cette température lors de l'arrivée du produit au laminage final. Le laminage à chaud final du produit ainsi porté entre 1050 et 1160°C est alors effectué en pratique à température inférieure ou égale à 1150°C (le produit se refroidit de 10°C ou plus lors de l'engagement de ce laminage), et il doit produire une réduction de section "S/s", où "S" est la section droite du produit à l'engagement de ce laminage à chaud final et "s" la section droite obtenue à la fin dudit laminage à chaud final , au moins égale à 3. Les essais ont montré que le laminage à chaud final devait être terminé de préférence entre 1050 et 950°C, températures du produit. Enfin, le laminage à chaud final doit être suivi d'un refroidissement homogène à l'air. Des moyens de refroidissement accéléré tel que de l'air soufflé ou des brouillards (eau + air) peuvent être utilisés, pourvu que ie refroidissement reste homogène, c'est-à-dire que les vitesses de refroidissement doivent peu différer d'une section droite à une autre du produit. Le préchauffage avant le laminage à chaud final peut également être effectué en-dessous de 1050'C, par exemple entre 1000°C et 1050°C, mais le procédé tout en restant applicable devient plus difficile à mettre en oeuvre.
[0015] Comme on le verra à propos des essais, l'ajustement de la température de laminage est important en même temps que l'ajustement de la composition pour ies réglages de la teneur en ferrite, de la teneur en (C + N) dissous et de la taille de grain sur produit, facteurs tous particulièrement importants pour l'obtention directe du compromis très surprenant de caractéristiques mécaniques des barres ou fil machine bruts de laminage à chaud selon l'invention :
. si S ≤ 0,08 % - R = 900 à 1100 MPa - E 0,2 - 650 à 850 MPa - A - 12 à 16 % . résilience KCU = 80 à 140 J/cm2
. si S est supérieur à 0,08 % et inférieur ou égal à 0,35 % - R - 900 à 1100 MPa - E 0.2 - 650 à 850 MPa - A ≥ 10 % - résilience KCU ≥ 40 J/cm2.
[0016] Les barres ou fil machine selon l'invention sont reconnaissables par l'ensemble de leurs caractéristiques mécaniques et de leur analyse. ces caractéristiques mécaniques étant singulières pour une telle analyse. Ils sont aussi caractérisés en complément par une proportion de ferrite dans la martensite inférieure à 30 % et typiquement comprise entre 15 et 25 %, ainsi que par un diamètre moyen de grain ou de phases (martensite et ferrite) équivalent à 5 à 10 ASTM (spécification ASTM E 112), soit 65 µm à 11 µm. Ces caractéristiques structurales sont en bonne partie responsables des caractéristiques mécaniques.
[0017] Les barres selon l'invention se présentent sous la forme de barres brutes de laminage à chaud, ou laminées à chaud puis dressées avec éventuellement une finition de surface, de diamètre ou épaisseur compris entre 15 et 250 mm et de préférence entre 15 et 120 mm.
[0018] Le fil machine de diamètre compris entre 5 et 35 mm selon l'invention se présente habituellement en couronne ou en barres dressées. A la sortie du laminage à chaud final, le refroidissement est surtout fait en couronnes ou en spires décalées.
ESSAIS ET EXAMENS
[0019] Les résultats de quatre séries d'essais et des examens complémentaires permettront de mieux comprendre l'invention et ses divers aspects.
La figure 1 représente l'évolution de la proportion de ferrite en fonction de la température de préchauffage, dans le cas de la coulée (A) correspondant à la première série d'essais.
La figure 2 situe les limites élastiques E 0,2 en fonction des % ferrite pour les barres obtenues dans les première et troisième séries d'essais.
La figure 3 représente les domaines de teneurs extrêmes (C %, N %) des barres ou fils machine de l'invention.
. Première série d'essais
[0020] On a effectué une coulée (A) en carrés de 250 mm ayant pour analyse (% en poids) :
C - 0,038 - N - 0,029 donc C + N = 0,067
Cr - 12,36 - V - 0,032 - S - 0.016 - Si - 0,27 - Mn - 0,42
Ni - 0,28 - Mo - 0,07 - P - 0,019 . Cu - 0,11 impuretés inevitables et Fe : le solde.
[0021] Le dégrossissage à chaud a été effectué au blooming comme d'habitude à 1200-1250°C environ, transformant les carrés de 250 mm en carrés de 148 mm.
[0022] Les carrés de 148 mm refroidis ont ensuite été préchauffés dans un four à diverses températures comme indiqué dans le tableau puis laminés à chaud en final par passes successives jusqu'aux diamètres portés dans le tableau et refroidies à l'air. D'après les mesures effectuées au pyromètre optique, on a estimé que la température des barres en fin de laminage était dans tous les cas comprise entre 950 et 1000°C.
TABLEAU DES RESULTATS
[0024] Ces résultats montrent l'excellent niveau des caractéristiques mécaniques obtenues pour les barres A1 à A5 préchauffées selon les cas entre 1080 et 1160°C et laminées selon les cas entre 1150°C et 950°C (température des barres), avec une réduction de section S/s minimale dans le cas des barres "A5" et égale alors à :
[0026] Le cas des barres "A6" préchauffées à 1240"C et donc laminées à chaud à partir de 1220-1230°C montre bien l'effet néfaste sur la ductilité (A %, Z %) et sur la résilience KCU de cette surchauffe relative. Ce sont surtout les grains beaucoup plus grossiers à mi-rayon et à coeur que dans les barres préchauffées et laminées dans les conditions de l'invention qui expliquent ces mauvais résultats. Par comparaison avec les barres "A5", on voit que la limite élastique obtenue avec ces conditions de préchauffage et de laminage à chaud est également diminuée et que la charge de rupture semble aussi légèrement affectée.
. Deuxième série d'essais
[0027] Une grosse barre de la coulée A a été transformée par laminage et par forgeage en plats d'épaisseur 20 mm, dont des prélèvements ont été portés 30 mn à diverses températures de réchauffage ailant de 850 à 1300°C puis refroidies rapidement par trempe à l'eau. Sur chaque prélèvement, on a déterminé sur coupe micrographique la proportion de ferrite "α %" dans de la martensite. Les résultats sont portés sur la figure 1. La courbe (f) qui relie les points figuratifs appelle les commentaires suivants : pour cette coulée A et pour des prélèvements ainsi réchauffés et trempés, α % passe par un minimum (2 %) pour la température de réchauffage de 1050°C. Les teneurs en ferrite α % < 10 sont obtenues pour des températures de préchauffage comprises entre 950 et 1150°C. On a ainsi une indication qualitative : l'ajustement de la température de préchauffage et de laminage est certainement important pour le réglage de la teneur en ferrite. Il faut minimiser la teneur en ferrite pour obtenir une bonne résilience et une bonne résistance mécanique, donc préchauffer et laminer dans un intervalle de température restreint dépendant à la fois de cet effet dans les conditions dynamiques réelles et d'autres facteurs très importants : mise en solution et maintien en solution de C et de N pour aurcir ia matrice. obtention dune structure a grain fin (préchauffage et recristallisation au cours du laminage).
. Troisième série d'essais
[0028] On a élaboré une coulée (B) d'analyse (% en poids) :
C - 0,050 - N - 0.038 donc C + N - 0,088 - Cr - 12,55
S - 0,06 - Si - 0,34 - Mn - 0,45 - Ni - 0,19 - Mo - 0,05 - P - 0,019
Cu - 0,11 - impuretés inévitables et Fe : le solde.
[0029] Les carrés coulés de 250 x 250 mm ont été transformés à chaud comme préalablement et on a effectué des essais semblables en partant de carrés de 148 mm, avec refroidissement à l'air des barres obtenues. La température des barres en fin de laminage était comprise entre 950 et 1000°C. Les températures de préchauffage et les caractéristiques mécaniques obtenues sur les barres sont rassemblées dans le Tableau ci-dessous :
[0030] Ces essais correspondant à une teneur (C + N) plus élevée que dans les premiers essais en sont une confirmation. La température de préchauffage de 1180°C pour "B4" affecte fortement la résilience KCU et plus faiblement mais de façon nette : d'abord la ductilité (A % et Z %), et ensuite surtout E 0,2. Le rapprochement ces résultats de "B4" et "A6" montre bien l'effet progressif de la "surchauffe" par rapport à la température de préchauffage limite de 1160°C (barres "A3") selon l'invention.
Examens complémentaires
[0031] On a porté les limites élastiques des barres des deux coulées (A) et (B) (première et troisième séries d'essais) sur le graphique de la figure 2.
[0032] Ce graphique montre que dans l'intervalle de teneur en ferrite α % de 18 à 35 %, une réduction de α % de 10 % correspond en moyenne à une augmentation de E 0,2 de environ 100 MPa.
. Quatrième série d'essais
[0033] On a testé un acier (D) à teneur en (C - N) plus élevée que celles de l'invention, d'analyse :
C = 0,105 - N = 0,039 donc C + N = 0,144 - Cr - 12,19 - Nb - 0,073 - V = 0,073 - S - 0,015 - Si - 0,41 . Mn - 0,92 - Ni - 0,18 - Mo - 0,46 - P - 0,021 - Al - 0,02 - impuretés et Fe : le solde.
[0034] Cet acier a été laminé en barres Ø 80 mm à 1100°C avec un rapport "S/s" de 4. Les caractéristiques mécaniques obtenues sur ces barres sont :
R - 1210 MPa - E 0,2 - 1060 MPa - A - 15 % striction Z % - 60 - KCU 5-10 J/cm2.
[0035] On obtient donc avec (C + N) aussi éievé une résilience très faible, et lorsque (C + N), et encore plus à la fois (C + N) et S, augmentent il s'ajoute à cette résilience très faible un risque de tapure pour les barres.
Commentaires : effet de (C + N)
[0036] La figure 3 situe d'une part les points figuratifs (C %, N %) des coulées (A) - (B) et (D), d'autre part le domaine (E) de teneurs (C %, N%) selon l'invention ainsi que le domaine préférentiel (F) le plus étroit.
[0037] Le durcissement des barres, traduit par l'augmentation de R et de E 0,2, dépend de façon importante de la teneur en (C + N) dissous. De petites additions de Nb ≤ 0,1 % et/ou de V ≤ 0,1 % jouent également un rôle durcisseur. Dans le cas des barres (D), les bonnes caractéristiques R et E 0,2 sont liées à la teneur en (C + N) élevée et aux petites additions de Nb et de V, mais les teneurs en (C. N) sont en dehors du domaine de l'invention et la résilience est très faible.
[0038] On a vu par ailleurs dans les première et troisième séries d'essais l'influence de la température de préchauffage et de laminage à chaud final lorsqu'on est dans le domaine de compositions de l'invention. Par comparaison avec le traitement de trempe classique, qui comporte typiquement un chauffage de mise en solution entre 950 et 1050°C, l'effet de ce préchauffage et de ce laminage à chaud selon l'invention est de dissoudre au mieux (C et N) et de les maintenir au mieux en solution. Tandis que l'accroissement de C augmente en outre légèrement la trempabilité, l'accroissement de N peut contribuer à la finesse du grain de recristallisation au cours du laminage grâce à la précipitation de petits nitrures.
[0039] Les effets métallurgiques de C, N, C + N et des températures de préchauffage et de laminage paraissent ainsi complexes et "enchevêtrés", car ils influencent à des degrés divers :
- la taille de grain,
- la proportion de ferrite dans la martensite,
- la dureté de la matrice,
dont le rôle paraît important pour comprendre qualitativement les résultats surprenants de l'invention. L'ajustement de (C + N) est un facteur particulièrement important.
1. Procédé de fabrication de barres ou fil machine en acier inoxydable martensitique,
dans lequel on élabore un acier et on le coule sous forme de produits, puis dans lequel
on transforme les produits coulés par corroyage à chaud comprenant un éventuel dégrossissage
à chaud, un éventuel préchauffage et un laminage à chaud final, caractérisé en ce
qu'on élabore un acier de composition (% en poids) : C - 0,015 à 0,080 % et N - 0,015
à 0,080 % avec C + N - 0,05 à 0,120 %; Cr 9,0 à 14,0 %; Nb ≤ 0,1 %; V ≤ 0,1 %; S ≤
0,35 %; Si ≤ 1,0 %; Mn < 1,0 %; Ni ≤ 2,0 %; Mo ≤ 1,0 %; P ≤ 0,040 %, autres éléments
et Fe : le solde, et en ce que le préchauffage ou la fin du dégrossissage à chaud
précédant le laminage à chaud final porte le produit à une température comprise entre
1000°C et 1160°C, et en ce que le laminage à chaud final effectué à température inférieure
ou égale à 1150°C produit une réduction de section "S/s" au moins égale à 3 et est
suivi d'un refroidissement homogène à l'air ou avec un brouillard (eau + air).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier élaboré contient
: Cr - 11,0 à 14,0 %.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que
l'acier élaboré contient : C - 0,030 à 0,060 % et N - 0,020 à 0,050 % avec C + N ≤
0,100 %.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce
que le préchauffage ou la fin du dégrossissage à chaud précédant le laminage à chaud
final porte le produit à une température comprise entre 1050°C et 1160°C.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que
le laminage à chaud final est terminé entre 1050 et 950°C (température du produit).
6. Barre ou fil machine en acier inoxydable martensitique, caractérisé en ce qu'elle
ou il a comme composition (% en poids) :
C - 0,015 à 0,090 % et N - 0,015 à 0,080 % avec C + N - 0,05 à 0,120 %
Cr - 9,0 à 14,0 %; Nb ≤ 0,1 %; V ≤ 0,1 %; S ≤ 0,35 %; Si ≤ 1,0 %; Mn 1,0 %; Ni ≤ 2,0 %; Mo ≤ 1,0 %; P ≤ 0,040 %; Cu ≤ 1.0 %; autres éléments et Fe : le solde,
et en ce qu'elle ou il a comme caractéristiques mécaniques :
R - 900 à 1100 MPa; E 0,2 - 650 à 850 MPa; A ≥ 10 %; résilience KCU ≥ 40 J/cm2.
7. Barre ou fil machine selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'elle ou il
contient : C - 0,030 à 0,060 % et N - 0,020 à 0.050 % avec C + N ≤ 0,100 %.
8. Barre ou fil machine selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé
en ce qu'elle ou il contient S ≤ 0,08 % et en ce qu'elle ou il a comme caractéristiques
mécaniques : R - 900 à 1100 MPa; E 0,2 - 650 à 850 MPa; A - 12 à 16 %; résilience
KCU - 80 à 140 J/cm2.
9. Fil machine selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, de diamètre ou épaisseur
compris entre 5 et 35 mm, en barres dressées ou en couronnes.
10. Barre selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, de diamètre ou épaisseur
compris entre 15 et 250 mm.