Brevet FR2030281A1 — publié le 19701113

La présente invention concerne un produit métallique composite» comportant une âme mince en acier inoxydable interpdsée entre deux couches extérieures relativement épaisses en acier au carbone ou allié, et. son procédé de fabrication. On forme le pro-5 duit composite au stade lingot, en coulant de 11 acier au carbone ou de l'acier faiblement allié autour d'une plaque en acier inoxydable suspendue dans un moule, les grandes faces de cette plaque étant en majeure partie recouvertes par une couche protectrice destinée à limiter son appauvrissement en éléments d'addition. 10 Le produit résultant oppos.e une excellente résistance à l'apparition de piqûres et à la pénétration dans les milieux corrosifs où de tels modes de corrosion posent en général un problème. Il n'existe guère aujourd'hui d'entreprise industrielle é-chappant aux problèmes posés par la corrosion. Aux Etats-Unis, on 15 estime que les dépenses entraînées par la corrosion atteignent annuellement sept milliards de dollars., La corrosion, ou altération chimique de matériaux tels que des métaux, résulte des conditions régnant dans le milieu environ- modiriçr nant. Lorsqu'il est impossible de A -environnement , les solutions 20 proposées pour résoudre les problèmes posés par la corrosion portent nécessairement sur les matériaux. Certes, la solution évidente serait de choisir des matériaux qui ne soient pas affectés dans leurs conditions d'utilisation, mais des considérations pratiques interdisent souvent un tel choix. En conséquence, les en-25 treprises industrielles tendent d'une manière générale à choisir des matériaux opposant le maximum de résistance à la corrosion pour un prix de revient minimum. Le choix des matériaux optimaux oblige à étudier les conditions de service, entre autres les variations de température, 50 l'hygrométrie, les efforts à prévoir, nature de l'effet corrosif etc. La présente invention est le fruit de recherches faites pour trouver un matériau de nature à résister aux milieux corrosifs provoquant une attaque locale qui se traduit couramment par 35 l'apparition de piqûres. Un tel mode de corrosion menace par exem pie les conduits et réservoirs souterrains installés dans des milieux qui peuvent comporter des eaux marécageuses salées ou douces, des eaux de mine, des sols et àaux de nature alcaline et a-cide, des eaux de drainage de terrains cultivés et des eaux de 40 tout-à-1'égout» Pour que le matériau résiste à ces conditions 70 03146 2 2030281 rigoureuses, il faut qu'il conserve une haute résistance mécanique et résiste en outre à la formation de piqûres et donc à/^né-tration à partir de l'extérieur» Un problème du même ordre se pose dans les silencieux pour véhicules automobiles, dans lesquels £ se déposent des condensâts qui provoquent des percements et la mise hors service prématurée. Il existe divers autres domaines où l'attaque générale n'est pas tx^op rigoureuse, mais où l'on risque une attaque locale, par exemple dans les cuves de transformateurs souterrains. 10 Des essais faits dans les conditions de service ont démon tré qu'en utilisant un produit composite, ayant une âme en acier inoxydable interposée entre deux couches d'acier au carbone ou faiblement allié, on obtient une résistance à la perforation supérieure à celle de divers aciers à nu ou revêtus. Par exemple, on 15 a opéré des essais de corrosion en soumettant aux mêmes conditions de service souterrain des conduits en matériau composite suivant l'invention, et des conduits en fonte non revêtus en a-ciers faiblement alliés et en aciers revêtus d'autres nuances. On a enterré tous les conduits dans vingt-et-une installations 20 représentatives de sept catégories de milieux corrosifs auxquels sont normalement exposés les conduits souterrains» Des examens périodiques poursuivis pendant un temps prolongé ont montré que le matériau composite a conservé une bonne résistance à la perforation alors que presque tous les autres conduits essayés ont 25 subi une corrosion et étaient presque détruits ou fortement perforés. L'invention a donc pour objet un lingot métallique composite caractérisé en ce qu'il comporte une âme en acier inoxydable, dont l'épaisseur représente au moins 0,5 % de celle du lingot, 30 et une couche extérieure en acier faiblement allié ou en acier au carbone. L'invention concerne un procédé de fabrication de lingot métallique composite caractérisé en ce qu'on prend une plaque en acier inoxydable, qu'on revêt ses grandes faces d'une couche pro-35 tectrice propre à limiter son appauvrissement en éléments d'addition et qu'on coule de part et d'autre de 'ce'tte couche un acier au carbone ou fa3.blement allié pour former un lingot, l'é-naisseur de la plaaue en acier inoxydable représentant au moins 0,5 de celle du lingot. Le procédé couvre encore la fabrication d'un 40 feuillard composite obtenu en réduisant l'épaisseur du lingot en 70 03146 3 2030281 conservant à l'âme en acier inoxydable une épaisseur d'au moins 0,025 mm. En procédant ainsi, on obtient une structure composite dans laquelle l'adhérence entre lracier inoxydable et l'acier au car-5 bone ou faiblement allié est excellente» En fait, les proportions initiales des deux matériaux de départ et le pourcentage de réduction ultérieure déterminent les épaisseurs finales des couches^ mais à des fins pratiques, l'épaisseur de la couche en acier inoxydable présente dans le feuillard composite fini ne doit pas être 10 inférieure à 0,025 mm.* De préférence, cette épaisseur doit être d'au moins 0,127 mm pour que le produit final présente une âme continue et réeiste à 1 *endommagement mécanique. Il ressort de ce qui précède que le produit composite suivant l'invention comprend essentiellement trois couches, les cou-15 ches extérieures étant en acier au carbone ou faiblement allié et la couche intérieure en acier inoxydable. Le rapport entre l'épaisseur globale et l'épaisseur de l'âme en acier inoxydable est, dans un produit fini laminé à chaud, d'environ 10t1 à 50:1» On peut obtenir des rapports plus faibles, de l'ordre de 3ï1, à par-20 tir du même produit, par de nouvelles réductions de section à froid. On obtient ce résultat du fait que la réduction de section à froid agit moins fortement sur l'âme en acier inoxydable que sur les couches extérieures, en acier au carbone ou allié. Le produit métallique composite suivant l'invention, carac-25 térisé en ce qu'il comprend une âme mince, en acier inoxydable, interposée entre deux couches relativement épaisses en acier au carbone ou faiblement allié, est particulièrement intéressant en milieu humide où le risque majeur est celui de corrosion locale (piqûres). 30 A cet égard, il peut être intéressant d'examiner le phéno mène de corrosion et, du moins en théorie} la manière dont la présente invention résout le problème. D'une manière générale, la corrosion des métaux est un processus électrochimique en ce sens qu'elle est liée au passage de courant électrique. Il s'ensuit 35 que des quantités excessives d'humidité, qui jouent le rôle de véhicule vis-à-vis du courant', tendent à accélérer la corrosion. On peut donc dans une certaine mesure rapprocher le phénomène de corrosion de celui apparaissant dans un accumulateur ou dans une cellule électrolytique. Dans les deux cas, une anode et une ca-40 thode se trouvent dans une solution conductrice, dite électrolyts 70 03146 2030281 En conséquence, un facteur principal régissant la vitesse de corrosion est l'intensité du courant traversant l'électrolyte. En dirigeant ce courant ou en agissant sur lui d'une manière ou d,'u-ne autre, on peut donc réduire la vitesse de corrosion® 5 L'une des premières solutions proposées par la technique antérieure a été de revêtir le métal à protéger d'une couche ano-dique ou d'un revêtement complémentaire. Cette technique est sur» tout illustrée par le revêtement d9acier à 18aide de zinc, opéré par immersion à chaud» Suivant cette technique, on revit une âfc«3 10 en acier d'une couche de zinc par immersion à chaud en continu ou par galvanisation» En service, la pellicule de zinc constitua un écran protégeant l'âme en acier® Une fois la couche de zinc percée sous l'action du milieu corrosif, la protection est assu~ rée par effet galvanique. Cette protection galvanique a sensible» 15 ment la même nature que celle assurée suivant l'invention. Toutefois, dans le premier cas, lorsque l'âme eijfecier a été dénudée sur de grandes surfaces, elle subit une corrosion générale. Dans le second cas, la protection subsiste malgré l'exposition de l'âme. 20 Ainsi, comme on l'a indiqué plus haut, le produit composite suivant l'invention comporte une âme cathodique en acier inoxydable enrobée dans une gangue en acier anodique, au carbone ou faiblement allié. Etant donné qu! en milieu corrosif, l'acier inoxydable est cathodique vis-à-vis de l'acier doux, ou moins anodi™ 25 que que lui, la corrosion de l'acier doux protège la couche intérieure en acier inoxydable. Toutefois, lorsqu'une tache de corrosion ou piqûre atteint l'âme intérieure en acier inoxydable, piqûre s'élargit au lieu que l'âme soit pénétrée. La protection suivant l'invention diffère ainsi de la combinaison zinc sm* 50 acier, car la vitesse générale de corrosion est beaucoup plus grande pour une âme en acier au carbone ordinaire que pour une |me en acier inoxydable» Un nouveau progrès obtenu grâce au produit composite suivant l'invention est la relation synergique apparaissant entre 55 l'âme en acier inoxydable et les couches extérieures en acier au carbone ou faiblement allié en cas de corrosion locale. En effet, on a trouvé qu'en régime de forte corrosion par piqûres, le produit composite a un meilleur comportement qu'un produit d'épaisseur égale en acier inoxydable » Bien que cette explication n'ait 40 aucun caractère limitatifs on pense qu'il apparaît, à mesure que 70 03146 5 2030281 la corrosion progresse, un phénomène de "polarisation". Selon cette théorie, on suppose que de 1'hydrogène se dépose sur la surface de l'acier inoxydable cathodique, retardant ainsi le passage de courant, ce qui tend à ralentir la corrosion. On admet que ce 5 résultat n'apparaît qu'en cas de corrosion localisée, par piqûres du genre résultant de l'attaque par chlorure. En régime de corrosion générale, une plaque en acier inoxydable aurait une meilleur re résistance. Il ressort de ce qui précède, qu'on peut réaliser à bon comp 10 te un produit doté d'une excellente résistance à la corrosion par piqûres. On obtient ce résultat en utilisant un article composite comportant une âme eh acier inoxydable à épaisseur comprise entre le 1/3 et le 1/50 environ de son épaisseur globale,, obtenu par réduction de section d'un lingot composite comportant une âme 15 en acier inoxydable dont l'épaisseur représente au moins 0,5 % et, de préférence, 2 à 8 % de son épaisseur totale. D'autres aspects de l'invention contribuant à réduire les frais résident dans les prix de revient des matériaux et dans le mode de fabrication, qu'on vanaintenant décrire. D'après la des-20 cription donnée du produit suivant l'invention, l'homme de l'art pourra concevoir divers modes de fabrication, mais dont aucun ne permet d'obtenir un produit métallurgiquement aussi sain ni aussi économique que celui suivant l'invention. Le procédé préféré consiste à former le produit composite à 25 un stade précoce de la fabrication de. l'acier, à savoir au stade lingot. On utilise une plaque en acier inoxydable, dont le rapport d'épaisseur par rapport au moule est compris dans la gamme précitée, et on la dispose sur l'axe du moule, parallèlement à deux faces latérales de ce dernier. O^otera qu'on peut aussi dis-30 poser la plaque en acier inoxydable en position décentrée dans le moule. Dans les deux cas, on revêt les deux grandes faces de ladite plaque d'une couche ou pellicule protectrice. Suivant le mode de mise en oeuvre préféré, chaque couche protectrice est formée par une plaque refroidisseuse ou coquille en acier doux ou 35 en fonte, qu'on place contre l'âme en acier inoxydable. On obtient ainsi, suivant le mode de mise en oeuvre préféré, deux cavités sensiblement identiques, situées de part et d'autre de l'âme. Dans le sommet de chaque cavité, on coule de l'acier au carbone ou faiblement allié en quantité voulue pour remplir la cavité. On peut remplir simultanément les deux cavités à l'aide 70 03146 6 2030281 d'un tundish ou tube de coulée à deux buses0 Cette technique limite au minimum la préparation de surface à prévoir sur la plaque rapportée en acier inoxydable'. D'une manière générale, on peut prévoir un léger décapage ou grenaillage. Les autres techniques 5 connues exigent une préparation de surface beaucoup plus poussée. Selon l'aptitude de la couche protectrice à s'opposer à l'appauvrissement, on peut noter un changement de composition très marqué entre les deux faces de l'âme. Après avoir découvert ce fait, on a procédé à des expériences pour déterminer les ef-10 fets obtenus en coulant de l'acier doux autour de plaques en acier inoxydable sans interposer de couche protectrice. Les phénomènes de coulée et de solidification apparaissant dans le moule provoquent un appauvrissement marqué de l'âme en éléments d'addition. Certes, on discerne encore une âme médiane dont les teneurs en 15 éléments d'addition sont uniformes, mais très inférieures aux teneurs initiales. La réduction de la teneur en chrome atteint 72%. Bien que toute explication donnée de cet appauvrissement accusé de l'âme en éléments d'addition soit dépourvue de tout caractère limitatif, on pense que, pendant la coulée, une carapace 20 d'acier doux se solidifie sur la plaque formant l'âme. Etant donné que le point de fusion d'une âme en acier inoxydable, par exemple de nuance A.I.S.Io 304- (correspondant à la nuance AFÏTOR Z 6 CU 18-10) est inférieur à celui de l'acier doux, la chaleur est suffisante pour fondre l'âme en acier inoxydable. La carapace so-25 lidifiée s'épaissit et les éléments d'addition de l'âme en acier inoxydable commencent à diffuser dans la carapace contiguë. On pense que cette diffusion fait baisser le point de fusion d'une partie de la carapace voisine et que cette partie est refondue. Il s'ensuit un mélange et la formation d'une âme à teneurs rédui-30 tes en éléments d'addition. La nouvelle âme appauvrie peut prendre un volume représentant le double ou davantage de son volume initial lorsqu'elle finit par se stabiliser et par se solidifier. Ce processus donne aussi une structure composite, mais comportant une carapace extérieure en acier doux et une âme non inoxydable. 35 Or, suivant l'invention, on à découvert que par interposi tion de couches protectrices, formées par exemple de plaques re-froidisseuses en acier doux ou en fonte, on peut réduire considérablement l'appauvrissement de l'âme en éléments d'addition. Par exemple, dans une série de cas où l'on a fait varier 1'épaisseur 40 des plaques refroidisseuses entre 2,5 et 0,625 % 70 03146 7 2030281 du lingot:j os. a noté que les appauvrissements en chrome correspon dants allaient de 0,4- à 29 % environ. Même pour les appauvrissements les plus accusés, 11 âme peut encore être considérée comme inoxydable* 5 On va maintenant considérer le traitement appliqué au lin got composite solidifié : on adopte un programme de laminage classique pour réduire le lingot en brame, puis en feuillard. Le traitement appliqué après coulée du lingot ne fait pas partie de l'invention, mais peut comporter par exemple : 10 (1) un chauffage aux environs de 1290°0, (2) la formation par laminage à chaud d'un "brame d'environ 17*8 cm d'épaisseur, (3) une mise en état de la surface opérée par exemple par décriquage, 15 (4-) un chauffage aux environs de 1304-°0, (5) la transformation par laminage à chaud en un feuillard d'environ 4-t6 mm d'épaisseur. (6) un décapage destiné à éliminer la calamine, et (7) laminage à froid pour amener à l'épaisseur désirée. 20 EXEMPLE Avant de couler le lingot, on soude par points des plaques d'acier de 1,2? cm d'épaisseur aux grandes faces d'une plaque en acier inoxydable, de nuance À.I.S.I. 304-, de 117 2: 198 x 2,5 cm. Pour contribuer à empêcher les plaques de remonter sous la pous-25 sée du liquide coulé, on soude sur l'assemblage deux montants de 6,35 g*11 de haut, qu'on fixe à une embase. On place tout l'ensemble sur un support de lingotière sur lequel on dispose ÙA© lin-gotière de 58 x 127 x 213 cm. TJne fois l'assemblage centré dans la lingotière, on place dans le sommet de celle-ci des panneaux 30 latéraux exothermiques destinés à ajuster le retrait suivant une technique courante en aciérie® On coule de part et d'autre de l'assemblage composite, à l'aide d'un tundish à double buse, de l'acier fondu calmé à 1'aluminiumç de composition suivante : earbone 0,034- % 35 manganèse 0,31 % soufre 0,023 % phosphore 0,003 % cuivre 0,11 % " étain 0,003 % 40 fer le complément à 100% 70 03146 8 2030281 La coulée dure 3 % minutes entr-e 1ouverture et la fermeture de la quenouille de la poche. On transforme, par traitement décrit ci-dessus, le lingot démoulé en un feuillard d'environ 4,6 mm d'épaisseur, dont les caractéristiques mécaniques sont portées 5 dans le tableau I. TABLEAU I Caractéristique mécaniques Limite Charge de % d'allon- : Dureté Sens élastique rupture geinent per- Hockwell kg/mm2 kg/imn2 marient (sur échelle!"- 10 ______ " _____ 5.1 cm) _ _____ longitudinal 26,5 39»? 56 54 transversal 26,0 39*8 24 54 Ses caractéristiques sont sensiblement celles d'acier cal-» mé, à l'aluminium ayant la composition citée et exempt de l'âme 15 inoxydable, ayant subi la même série d'opérations de traitements Comme le conqàt le technicien, bien qu'on ait cité l'utilisation d'acier inoxydable de nuance A.I.S.I. 304, on pourra utiliser des aciers inoxydables d'autres types. D'une manière générale, la nature de l'aier inoxydable incorporé à l'article compo-20 site est dictée par l'usage envisagé et par les conditions régnant dans le milieu environnant. Par exemple, en milieu chloruré il pourra être bon d'utiliser un acier inoxydable austénitique contenant du molybdène. Par contre, dans des conditions moins rigoureuses, on pourra utiliser de l'acier inoxydable de nuance 25 A.I.S.I. 410 (AFKQEZ12 C 15)« En conséquence, par acier inoxydable, on entend ici tout alliage ferreux contenant 11 % ou davantage de chrome, ainsi que les autres éléments d'addition normalement présents. Suivant un dernier aspect de l'invention, on prévoit sur 30 l'article composite fini un revêtement extérieur. Il peut être désirable d'assurer un supplément de protection contre la corrosion générale ou d'améliorer simplement l'aspect du produit. En conséquence, le revêtement peut être soit métallique, par exemple en zinc, aluminium, fer plombé et zingué, plomb, chrome, nickel 35 ou cadmium, soit non métallique, par exemple formé d'asphalte, de peinture, de matière plastique, de phosphates et de chromâtes, ces corps n'étant toutefois cités qu'à titre d'exemples nullement limitatifs. On s'abstiendra de proposer un matériau ou une combinaison de matériaux de revêtement pour un milieu donné, car le 40 choix du revêtement le plus adéquat et de son mode dsapplication sont à la portée du technicien. 70 03146 9 2030281 REVENDICATIONS 1. lingot métallique composite, caractérisé en ce qu'il comporte une âne en acier inoxydable dont l'épaisseur représente au moins 0,5 % de celle du lingot et une couche extérieure en 5 acier faiblement allié ou au carbone. 2. Feuillard métallique composite obtenu par réduction de section, caractérisé en ce qu'il comprend une âme en acier inoxydable ayant une épaisseur d'au moins 0,025 mm et une couche extérieure. en acier faiblement allié ou au carbone. 10 3. Feuillard selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de son épaisseur à celle de ladite âme est d'environ 3:1 à 50:1, notamment d'au moins 10:1. 4. Feuillard selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'âme est d'au moins 0,127 mm. 15 5. Feuillard selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il porte un revêtement métallique ou non métallique. 6. Procédé pour la fabrication de lingot métallique composite, caractérisé en ce qu'on, prend une plaque en acier-inoxydable, qu'on applique sur ses deux grandes faces une couche pro- 20 tectrice propre à limiter l'appauvrissement de la plaque en éléments d'addition et qu'on coule un acier au carbone ou faiblement allié de part et d'autre de ladite couche protectrice pour former un lingot, l'épaisseur de ladite plaque en acier inoxydable repré sentant au moins 0,5 % de l'épaisseur du lingot. 25 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on fabrique un feuillard composite en soumettant le lingot à une réduction de section qui le transforme en un feuillard en conservant à son âme en acier inoxydable une épaisseur d'au moins 0,025 mm. 30 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7» caracté risé en ce que ladite couche protectrice est formée par deux plaques en acier doux ou en fonte, disposées contre ladite plaque en acier inoxydable. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractéri 35. sé en ce que l'épaisseur de ladite plaque en acier inoxydable représente 2 à 8 % de l'épaisseur du lingot. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite réduction de section comprend une réduction à chaud donnant un feuillard tel que le rapport entré les épais- 40 .seurs du feuillard et de l'âme soit compris entre 10:1 et 50:1 70 03146 10 2030281 environ. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite réduction de section comporte une réduction finale à froid et que le rapport entre les épaisseurs du feuillard et de 5 l'âme est d'au moins 3*1. 12. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caracté~ risé en ce que ladite âme a une épaisseur d'au moins 0,127 mm.