Brevet FR2053282A1 — publié le 19710416

La présente invention concerne la famille des aciers faiblement alliés à haute résistance mécanique, désignés par les Anglo-saxons par les initiales " HSLÂ ". D'unc manière générale, de tels aciers sont utilisés en construction parce qu'ils présente tent un haut rapport résistance/poids moyennant un coat minimum. En outre, les aciers de ce type laissent, en construction, une grande latitude pour la conception et la réalisation car ils présentent diverses propriétés intéressantes de ténacité, d'ouvrabilité, de soudabilité et de résistance à la corrosion. Typiquement, les aciers de ce genre sont livrés sous forme de grosses pièces telles que plaques, barres et profilés et utilisés dans de grandes structures telles que ponts, immeu- bles et matériel de transport. En outre, compte-@enu ae la variété de leurs applications, ce sont tantôt certaines et tantôt d'autres de leurs propriétés intéressantes qui jouent le rôle majeur et qui imposent des limitations dans la conception de la structure. A titre d'exemple frappant, on peut citer la conception d'une structure de pont. Bien entendu, l'acier utilisé à cette fin doit présenter de la résistance mécanique, mais il est peut être aussi important ou même plus important encore, qu'il possède une forte ténacité pour résister à la rupture par fragi- lité, car il n'est pas exceptionnel que la température environ nante varie avec la saison dans le milieu a:llbiant entre moins de 0 et plus de 500C. Dans tous les cas, les variations de températures ont tendance à affecter la ténacité de produits ferreux si elles font franchir le polnt de transition, c'est-à-dire la température au-dessous de laquelle l'acier considéré devient suscetible de rupture par fragilité. En conséquence, le point de tran sitiondoit être aussi bas que possible, ca: une telle rupture a lieu inopinément et peut entraîner un véritable désastre. En conséquence, lorsque c'est, comme noté lus haut, une des oroprié- tés qui joue le rôle majeur, il faut souvent accepter en sa faveur un compromis sur les autres propriétés. La présente invention présente à cet égard un intérêt particulie@ du fait qu'elle permet d'améliorer la ténacité et la soudabilité d'aciers du type H8LA sans rédui@e leur linite d'élasticit. On notera que la pr@ sente invention apporte des peffec tionnemenus aux aciers du type " HSLA ", mais notamment à de tels aciers sous forme de plaques, d'une épaisseur d'environ 9 à 50mm. Jusqu'à présent, la Flupart des tentatives faites pour améliorer les propriétés des aciers portent sur des tales. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 010 822 constitue un exemple d'une telle tentative. ne brevet concerne des aciers au carbone semi calmés, caractérises par une haute résistance mécanique jointe à une ténacité accrue et Ü une structure å xrain fin. Comme on l'exposera plus loin, l'acier suivant ce brevet est analogue par sa composition celui visé nar la présente invention, sa teneur en maganèse est dans l'ensemble plus faible et le brevet prescrit une désoxydation incompl te. toutefois, le brevet en cause ne constate certaines améliorations que dans des tôles d'acier d'épaisseur e dépassant pas 16mm lorsqu'on prend les précautions voulues pendant laminage à chaud. Ces précautions différent de celles envisagées selon la présente invention. Le brevet antérieur @récité cite comme variables importantes la ré duction de section assurée au cours de la derniere passe, la température de laminage final et la vitesse de refroidissement après laminage à chaud. Aucune allusion n'est faite à la présen te découverte suivant laquelle la température de in de réchauf fage avant laminage à chaud est critique. En fait, la présente invention montre pour 13 première fois qu'il est essentiel de régler la température de fin de réchauffage pour obtenir une hau te résistance mécanique et une forte ténacité dans des plaques d'acier à forte épaisseur, comprisses dans la gamme indiquée. Four la mise au poin@ de l'invention, on a trouvé que certains processus métallurgiques améliorent la ténacité et la soudabilité d'acier faiblement alliés à bas carbone à haute ré sistance mécanique, contenant du colombium. Plus particulière ment, l'invention perfectionne ces propriétés dans un acier ayant, en pourcentages en poids, la composition suivante Carbone 0,05 à 0,20 % Manganàse 0,90 à 1,5 ,% Colombium 0,025 à 0,065% Silicium 0,n0 % au maximum Aluminium 0,06 ; au maximum Fer le complément à 100. On obtient cette amélioration, sans abaissement consé cuti de la liz!ite d'élasticité, par des processus métallurgiques tendant a régler le degré de dissolutIon de carbure de colombium avant transformation par laminage à chaud des bratries d'acier en plaques et par réduction de la teneur en carbone, quoi exerce une influence majeure sur la soudabilité d'un produit ferreux. La présente invention a pour objet un Procédé permettant d'accroître la ténacité et la soudabilité de plaques en métal ferreux faiblement allié, à haute résistance mécanique, caractérisé en ce qu'on prépare un alliage ferreux contenant, en poids, oins de 0,20% de carbone, 0,025 à 0,065% de colombium et la qua@i-to- talité de la différence en fer, sous forme convenable pour la@ina- ge à chaud, en ce qu'on porte cet alliage à une témpérature mexi- male d'environ 1175 C et en ce qu'on ramène oar laminage à chaud l'épaisseur à celle de plaques à une température supérieure au point de transformation A3. Typiquement, mais non exclusivement, du fait d'innovations récentes dans la coulée continue, l'acier est mis sous forme de lingots, puis transformé en brames ayant une épaisseur de l'ordre de 150 à 200 m@. On réchauffe alors les bramez, en les portant uniformément à une temperature élevée, avant de les trans- former par laminage i chaud en feuillards ou en plaques. La pré- sente invention prévoit de régler les températures de réchauffage et de fin de réchauffage avant ce laminage à chaud à n maximum de 1175 C. La température de fin de réchauffage doit être aussi basse que possible, mais tout en permettant l'amenée par laminage à chaud au calibre voulu au-delà du point de transformation A. Il est préférable de régler le processus de manière à ce vue le lami- nage à chaud ait lieu en partie à des températures infér e@res à 900 C et, de préférence, à 870 C. Lorsqu'on réchauffe les brames froides, contenant du carbure de colombium précipité, aux environs de 11@5 C, seule une partie du carbure de colombium se dissout à nouveau. Le reste, à l'état précipité, s'oppose au grossisse ent du grain austénitique à la température précitée de réchauffage de la brame. Lorsqu'on @raite la br@@e dans ces conditions, la @laque finale a une microstructure farritique fine et pr@sente une bonne soudabilite ainsi qu'une ténacité améliorée. Suivant le mode préferé de miso en @euvre de l'invention, on adopte un processus et une composition @o @fiés pour @méliorer certaines caractéristi@@es des aciers faib@e@ent alliés haute résistance mécanique sa@@ affecter @@one sement les autres propriétés. Toutefois, avant de déc@ire ce rocessus et cette composition modifiés, il peut êre utile d'établir une distinction entre les aciers faiblement alliés à haute résistance mécanique et les autres alliages ferreux. L'organisme " Amer@can Iron & Steel Institute " donne de ces aciers la définition suivante : " La désignation' aciers fainle@ent alliés à haute ré- sistance écanique's'applique à une catégorie particulière d'aciers à compositions c@imiques spécialement conques pour relever leurs caractéristiques mécaniques et leur résistance à la corros en atmosphérique par rapport à cel'es @u'en peut obtenir dars des aciers de construction au carbone classique, contenant du cuivre. Dans l'élaboration d'aciers faiblement alliés à haute résistance @écanique, on se préoccupe en général davantage des caractéristiques méca@iques à obtenir que des teneurs-limites dans la composition." " Les aciers faiblement alliés à haute résistance mécanique sont en général destinés à des a plications où ils permettent une éc nomie de @oids, grâce à leur supplément de résistance mécanique et de résistance à la corrosion atmosphérique, et où l'on désire une longévité accrue ". Du point de vue des propriétés et par rapport aux aciers de construction au carbone typique, les aciers faiblement alliés à haute résistance mécanique ont en général de meilleures caractéristiques de résistance mécanique, de ténacité, d'ouvrabilité et de soudabilité. Normalement, l'amélioration des caractéristiques de ces aciers dépend forcément de variations de composition, car ces aci@rs sont habituellement livrés à l'état laminé. Dans certains cas, il faut leur appliquer un traitement thermique, par exemple une normalisation. Le traitement de nor malisation contribue à affiner le grain des aciers. Ce bref aperçu devrait contribuer à faire comprendre et a@précier l'@@por@ance de la présente invention. On admet en général, en sidérur@ie, @@'il est necessaire de sacrifier une ou plu@ieurs qua@@@és d'un a@@er pour en améliorer une autre. Par exemple, on juge le carb@ne essentiel pour la résistance @icani- que, @si@ le relévement du carbone réd it la ductilité, la téné cité et la soudabilité. @ar contr@, en maintenant ces dernieres @r@@rié@s @ar réduction du cor@@ne, on abaisse en @énéral la l@m@@e d'élast c@té. En revanche, la présente invention concerne un processus de traitement d'aciers du type décrit perme@tant de leur conférer, sous forme de plaques, une ténacité et une soudabilité améliorées, sans réd@ire sensiblement leur limite d'élas ticité. On obtient ce résultat en réduisant la teneur en carbone de l'acier, en ajoutant du colombium et en traitant l'acier avant laminage à chaud pour régler le degré de dissolution du carbure de colombium. Plus particulièrement, suivant le mode préfére de mise en oeuvre de l'invention, on abaisse la teneur en carbone en augmentant celles en manganèse et en colombium. On pense que ces modifications chimiques, et l'application à la brame d'une temDc- rature de réchauffage plus faible, assurent d'autres avantages, à savoir 1) on peut encore obtenir une homogénéisation totale de l'austénite ; 2) en conservant une partie du carbure de colombium précipité, on contribue à ralentir le grossissement du groin pendant réchauffage et pendant laminage à chaud de la brame 3) on obtient finalement un grain fin parce qu'on peut réduire la température de laminage fini grâce à la suppression du point de transformation A3 par la teneur accrue en manganèse et 4) les avantages notés se traduisent par un relèvement de la ténacité. Bien que -cette théorie n'ait aucun caractère limitatif, on pense que les améliorations inattendues obtenues suivant l'in- vention résultent de l'interactIon du colombium avec le système d'alliage de l'acier. Par exemple, lorsqu'on porte les brames alliées relativement froides contenant du carbure de colombium précipité, à une température de fin de récnauffage oui est au maximum d'environ 1175 C, seule une nartie du carbure de colombium se dissout à nouveau. le reste, à l'état précipité, s'oppose au grossissement du grain austénitique à la tefnpérature de brame et pendant laminage â cila-ad ultérieur. Ta microstructure finale désirée est une structure ferritique fine qu'on ne eut obtenir qu'en limitant le grossissement du grain austénitique vendant travail 1 à chaud. Le reste du colomblum précipit@ dans la ferrite, @endant r@froidissement, pour contribuer à maintenir la résistance mécanique. L'originalité de l'effet exerce tar le colombium a été confirmée par des etuoc: RU cours desquelles on a utilisé un autre métal d'addition, le vanadium. On a trouvé du @ait de la différence entre les solubilités de ces deux métaux dans le fer, ou d'autres facteurs, qu'on n'obtient pas le résultat désiré. Cet insuccès est mis en évidence par une comparaison entre un acier traité au Cb suivant l'invention et un acier traité au V, réchauffés, tous deux à 115000. TliRi'AU 1 Grosseur du grain d'austénite e Eprouvette C ; V Cb Diam.(mm) N de la norme de Acier au V 0,21 1,18 0,059 - 0,270 I 1,1 l'ASTM Acier au Cb n 1 0,11 1,47 - 0,34 0,157 2,7 Acier au Cb n 2 0,19 1,22 - 0,011 0,250 1,4 x Après deux heures à 115000. Une étude de microstructure révèle que le grain austénitique de l'acier au V est beaucoup plus gros que celui de l'acier au Cb n 1. Des calculs de solubilité indiquent que le carbure de vanadium est complétement soluble à 1150 C, mais qu'il n'en est pas ainsi des carbures de colombium. Autrement dit, à 1150 C, il subsiste assez de carbure de colombium a' l'état précipité pour conserver au grain la grosseur désirée et améliorer finalement la ténacité après traitement. L'acier au Cb n 2 présente un grain austénitique relativement gros par- ce que sa teneur en Cb est inadéquate. Un autre aspect de ces recherches concerne l'oxydation à laquelle on soumet l'acier pendant fusion et avant coulée pour obtenir de l'acier calmé ou semi-calmé au silicium ou à l'aluminium. On obtient les meilleurs résultats pour des aciers calmés, à l'aluminium ou au silicium. Les aciers s mi- calmés sont supérieurs 3UX aciers classiques, mais on pense qu'une partie du colombium s'oxyde et n'est donc plus disponible sous forme de précipité de carbure. A ce stade, il peut être utile d'illustrer l'invention par divers exemples qui soulignent l'amélioration ap parte aux propriétés de deux a( C référencés A et S, traités suivant l'invention. TABLEAU II - composition Réf. Mode de d'oxy- C Mn P S Si Cb Al N Fe l'acierdation A Calmé 0,11 1,42 0,010 0,016 0,04 0,044 0,054 0,0081a diff# à l'alu minium S Calmé 0,11 1,47 0,014 0,017 0,29 0,034 - 0,006 " au silicium # avec teneurs résiduelles en Cr, Ni, Mo et Cu. TABLEAU III - Propriétés mécaniques Réf.de Epais- Fin de Laminage Point de Limite d' Charge de seur de réchauf- final transi- élasticité rupture l'éprou la plaque fage tion@ kg/mm2 kg/mm2 vette IS-1 25mm 1315 C 970 C - 5 C 46,5 59,6 IS-2 25mm 1315 C 900 C -@0 C 40,5 56,9 IIS-1 13mm 1260 C 900 C -40 C 45,5 59,6 IIS-2 13mm 1175 C 900 C -85 C 45,0 @5,4 IIIA-1 25mm 1290 C 860 C -35 C 40,8 54,6 IIIA-2 25mm 1155 C 850 C -60 C 39,6 51,8 IVA 50mm 1150 C 860 C -70 C @@,6 49,7 # le point de transition est la température la plus bas@e à la quelle la plaque-éprouvette absorbe, dans le sens longitudinal ou de la@inage, une éner ie de 2,1 kgm à l'essai de résilience sur barreau " Charpy " entaillé en V, de dimensions normalisées. EXEMPLE 1 On transforme de façon classique deux lingots échantillons en acier correspondant à la coulée S en @remes d'environ 1 5mm d'épaisseur. On réchauffe ensuite les brames avent de ra@ener leur épaisseur à celle de plaques. La te pérature de fin de réchauffage, c'est-à-dire celle à laquelle on retire les brames du four de réchauffage, est d'environ 1315 C. On ramène l'épaisseur des deux brames à 25mm et l'on soumet la première à un laminage final classique aux environs de 975 C et le second à un la@inage final aux environs de 900 C. Des essais mécaniques opérés sur les deux plaques éprouvettes montrent que le point de transition bais:e de 25 C pour la brame ayant subi l-e laminage final à la température la plus faible, comme indiqué dans le tableau III ci-dessus (éprouvette IS-1 et IS-2). EXEMPLE II On traite deux autres lingots en acier du type S comme décrit ci-dessus, sauf que les températures de réchauffage maximale et finale sont d'environ 1260 et 1175 C respectivement. La température de laminage final est dans les deux cas d'environ 9CO0C. Dans ce cas, l'amélioration est encore plus accusée. L'abaissement de la température de fin de réchauffage relève la ténacité sans faire baisser la liraite élstique (éprouvettes IIS-1 et IIS-2 dans le tableau III). EXEMPLE III Les exemples précédents concernent l'amélioration apportée à la ténacité par modification unicue du traitement thermique, a savoir modification de la température de fin de réchauffate ou de laminage final, mais on a opéré d'autres essais com paratifs montrant l'effet conjugué de ces deux modifications. On transforme deux lingots en acier du type A, calmé à l'aluminium, en plaque de 25mm d'épaisseur. Au second acier, on applique avantageusement des températures de fin de réchauffage et de laminage final modérées, tandis que pour le premier la température de fin de réchauffage est de 1290 C et celle de laminage final modérée. Pour le second acier, traité suivant l'invention, le point de transition baisse de 25 C (éprouvettes IIIA-1 et IIIA-2 dans le tableau III). EXEMPLE IV Ce dernier exemple montre l'effet bénéfique exercé par l'invention sur une plaque d'acier calmé à l'aluminium de 50mm d'épaisseur. Le point de transition est le -70 C et la limite d'élasticité demeure très bonne, blen que plus faible que pour la leque de 25mm d'épaisseur, du fait du refr@idisse ent plus lent et d'un certain sur-vieillissement (éprouvette @VA du tableau III). Il est clair qu'en abaissant la température de fin de réc@auffage et/ou de laminage final, on améliore la ténacité ries acier faiblement alliés à haute résistance mécanique. 'ien que l'amélioratIon soit plus nette pour une plaque mince, on note encore un net progrès pour la plaque de 50mm selon l'exemple IV. On peut attribuer la différenca d'amélioration au degré de réduction au'il faut prévoir pour transformer la brame en plaque et au refroidissement plus lent. Toutefois, malgré la différence entre les degrés de réduction imposés par les épaisseurs finales des plaques, on règle le cycle de laminage cour assurer une réduction de 30 à 35% pour chaque brame pendant les trois dernières passes de laminage. Un autre et dernier impératif à respecter suivant l'invention est que la température de laminage et donc limonage final soit supérieure au point de transformation aj. Du fait que la composition et certaines conditions de traitement, telles que vitesse de refroidissement, tendent à affecter le point A3, il est difficile de prévoir ce point avec une certaine precision. Toutefois, l'expérience montre que le point critique A. est com- pris, pour les aciers suivant l'invention, entre 790 et 815 C. En conséquence, la température de laninage final doit de préférence être de 815 à 900 C. Si la composition et les conditions de traitement sont de hature à porter le point w) au-dessus de la température de finissage, l'acier résultant a une haute résistance mécanique, mais sa ténacité baisse. Dans leur ensemble, les exemples et l'exposé qui précèdent concernent l'amélioration des propriétés de uroduits sous forme de plaques. Plus particulièrement, l'invention apporte des amétiorations aux plaques d'épaisseur de l'ordre de 9 à 50= Comme indiqué plus haut, la température de finissage doit être supérieure au point critique A. Toutefois, étant donné la température de fin de ré chauffage proposée, il devient de plus en plus difficile de conserver la température de finissage désirée pour des plaques minces. X l'autre extrême, si la plaque est trop épaisse, on note un effet de sur-vieillissement qui entraîne une perte de résistance mécanique et de ténacité. R E V E i D I C A T I O N S 1. Procédé pour améliorer la ténacité et la soudabilité de plaques en métal ferreux, faiblement allié à haute résistance mécanique, caractérisé en ce qu'on prépare un alliage ferreux contenant, en poids, moins de 0,20% de carbcne, 0,025 à ,065,ö de colombium et la quasi-totalité de la aifférence en fer, sous une forme convenant au laminage à chaud, en ce qu'on porte cet alliage à une température maximale d'environ 11/5 C et en ce qu'on ramène par laminage à chaud son épaisseur à celle d'une plaque à une température supérieure au point de transformation A3. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal ferreux comporte environ 0,90 à 1,50% en poids de manganèse. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on opère au moins 30% dudit laminage à chaud dans l'intervalle de température allant du point critique A3 à une température de 850C supérieure. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on opère au moins 305 dudit laminage à chaud dans l'intervalle de température allant environ de 815 à 9000 C. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on opère une normalisation pour affiner encore le grain dudit métal ferreux. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit métal ferreux est un acier semi-calmé. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit métal ferreux est un acier calmé. 8. Les aciers obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.