Brevet FR2307879A1 — publié le 19761112

La présente invention concerne des tales en acier pour utilisation a basses températures et plus particulièrement des tôles en acier contenant de 1,5 a 9 % de nickel. On sait que l'utilisation de plus en plus répandue des gaz liquéfiés et leur transport a l'état liquide ont conduit les sidérurgistes a mettre au point des aciers capables de résister sans rupture a de très basses températures. Les aciers susceptibles d'être utilisés dans ces conditions et dits Naciers cryogéniques* contiennent de 0,5 a 9 % de nickel suivant la gamme de température envisagée. Pour-les conditions les plus sévères, on est amené à utiliser des aciers a 9 % de nickel. Outre la composition des aciers, la structure cristalline des tales présente une grande importance d'où la nécessité de recourir a des traitements thermiques pour obtenir la structure la plus favorable. Tous ces problemes ont actuellement trouvé des solutions et le sidérurgiste sait produire des tales utilisables aux plus basses températures. Les procédés de fabrication les plus courants consistent a réaliser un laminage a chaud d'un produit porté a haute température de l'ordre de 1200 C afin d'obtenir une tôle d'épaisseur et de largeur voulues qu'on laisse refroidir à l'Xambiante. Les tôles ainsi obtenues subissent ensuite tout un cycle de traitement thermique qui a pour but de leur donner la structure la plus favorable aux conditions d' emploi, c'est-à-dire une structure à base de martensite et de bainite revenues. Dans la majorité des cas, ces traitements comportent d'abord Mn premier chauffage pour amener l'acier a l'état austénitique suivi d'un refroidissement, puis d'un traitement thermique pouvant comprèndre jusqu' srois revenus successifs afin d'obtenir les structures métallurgiques permettant d'atteindre les caractéristiques mécaniques - limite d'élasticité, charge de rupture, résilience - imposées par'les normes d'utilisation. Il est donc bien évident que la production de ces aciers est conteuse en raison, d'une part des quantités de nickel qu'ils contiennent jusqu'a 9 %, et d'autre part, des dépenses en énergie et les multiples manutentions qui sont nécessaires pour effectuer les traitements thermiques qu'ils exigent. Le but de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication de tôles, pour utilisation a basse température, moins motteux en énergie et permettant par une augmentation des caracté ristiques mécaniques de limiter la teneur en nickel dans certains cas d'utilisation. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication de tôles destinées aux-utilisations à basses températures réalisées dans des nuances d'acier contenant de 1,5 a 9 % en poids de nickel et comprenant une mise en forme par laminage à chaud dans lequel le laminage est contrôlé, notamment dans les dernières passes, pour obtenir une austénite métallurgiquement écrouie par un taux de corroyage final d'au moins 1,55 et la tôle a l'état austénitique ainsi défini soumise immédiatement a un refroidissement permettant d'obtenir une structure avec un maximum de martensite. Le refroidissement peut être un refroidissement accéléré dont la vitesse est d'au moins 150C par seconde. Après le refroidissement, la tle est éventuellement soumise a un revenu à une température inférieure à celle du point AC1 de l'acier pendant une durée d'au moins 1 heure.Enfin, si nécessaire, le revenu est précédé d'un traitement thermique à une température comprise entre AC1 et AC3. Le procédé est également caractérisé en ce qu'il est appliqué à des acires au nickel contenant de 0,1 à 0,5 % en poids de molybdène. Les aciers peuvent également contenir de o,oio-a 0,050 % en poids de niobium et éventuellement de 0,010 a 0,100 % en poids de vanadium. Comme on le comprend, l'invention consiste & utiliser le laminoir non seulement comme un outil de mise en forme classique, mais également comme un appareil permettant de contraler la structure cristalline du métal et a soumettre immédiatement la tale ainsi obtenue a un traitement de refroidissement permettant d'obtenir la structure finale la meilleure en vue d'une utilisation à basse température. On rappellera que le schéma de fabrication classique consiste a laminer un produit porté a haute température, de l'ordre de 12000C, donc a l'état austénitique, pour réaliser l'épaisseur de tôle voulue. A la fin du laminage, on laisse la tôle qui est encore à l'état austénitique se refroidir jusqu'a la température ambiante. Ensuite, on lui fait subir le cycle de traitement thermique déjà décrit pour obtenir la structure souhaitée. Si cette technique permet d'atteindre les propriétés mécaniques requises du fait d'un traitement d'austénitisation qui peut être bien contrôlé, elle est conteuse en énergie puisque lion laisse refroidir une tôle pour la réchauffer ensuite.L'idée du demandeur est donc basée sur le fait qu'ayant a la sortie du laminoir une tôle à l'état austénitique, il était peutêtre possible de lui faire subir directement un traitement permettant ainsi de supprimer un réchauffage d'austénitisation et d'obtenir la structure nécessaire pour atteindre les caractéristiques mécaniques souhaitées. En fait, au cours de ces essais, le demandeur a constaté que s'il était envisageable d'appliquer un refroidissement accéléré à la sortie du laminoir, on n'en obtenait pas pour autant dans tous les cas les caractéristiques imposées par les normes. Ces constatations l'ont amene à penser que ce traitement n'était possible que lorsque l'on appliquait le traitement après laminage à une asténite de caractéristiques bien définies.Effectivement, les examens et études ont montré que l'on obtenait régulièrement de bons résultats dans les cas où le laminage était conduit de manière à obtenir une austénite métallurgiquement écrouie par une réduction d'épaisseur d'au moins 35 % ou, si l'on préfère, un taux de corroyage compris entre 1,55 et 5. Ceci implique de conduire le laminage de façon à obtenir cette austénite, donc de contrôler avec précision le taux de réduction, mais également de ne pas terminer le laminage audessous du point Ar de la nuance d'acier traitée. En raison de leur composition, ces aciers peuvent avoir un point de transformation qui se situe à une température assez basse. Néanmoins, leur laminage au voisinage de cette température ne pose aucun probleme sérieux.Par ailleurs, on sait que l'état cristallin de l'austénite évolue rapidement, aussi il est parfois souhaitable de refroidir immédiatement la tôle lorsque l'on a obtenu cette structure sous peine d'enregistrer une altération des propriétés mécaniques. Ceci impose donc de refroidir immédiatement la tôle à la sortie du laminoir par refroitissement accéléré contrôlé ou par trempe directe. Lorsque ces conditions sont respectées, on obtient directement ou avec un seul revenu à basse température une tôle présentant des caractéristiques mécaniques particulièrement bonnes et supérieures dans tous les cas à celles imposées par les normes pour une nuance donnee. La qualité des caractéristiques est même telle que l'on peut envisager, par exemple, d'utiliser des tôles en acier à 5 % de nickel à la place des tôles à 9 % de nickel habituellement nécessaires. I1 en va de même pour les nuances à 3,5 et 1,5 % de nickel.Il est évident que ce traitement peut également comprendre, conformément au procédé, un revenu entre les points AC1 et AC3 pour améliorer encore certaines propriétés si on le juge utile.lIl n'en reste pas moins vrai que le procédé préconisé ne comporte plus de réchauffage d'austénitisation et comprend au plus, dans la majorité des cas, un traitement de revenu à basse température. On va maintenant donner des exemples de traitements appliqués à diverses nuances d'acier au nickel, avec en regard, les propriétés mécaniques obtenues. La composition des aciers étudiés est la suivante Repère Ni % C % Si % S % Mn z P % Al z O2 % N2 % Mo z 9 Ni 9,4 0,065 0,26 0,011 0,52 0,015 0,015 0,007 0,002 0,31 5 Ni 5,3 0,065 0,29 0,010 0,63 0,018 0,017 0,006 0,002 0,36 3,5 Ni 3,5 0,070 0,26 0,010 0,52 0,016 0,023 0,008 0,002 0,32 1,5 Ni 1,5 0,070 0,29 0,010 1,7 0,015 0,012 0,005 0,003 0,34 Plusieurs variantes de traitements ont été appliquées à ces aciers tant en ce qui concerne les conditions de chauffage avant laminage qu'en ce qui concerne les conditions de refroidissement et le cycle de réchauffage apres laminage. Par contre, les conditions de corroyage ont été maintenues identiques avec une réduction contrôlée totale de l'ordre de 50 %. C'est ainsi que deux températures de réchauffage avant laminage 12000C et 10500C ont été étudiées, la fin de laminage étant voisine de 720"C. A ce propos, il convient de noter que ces aciers peuvent être laminés à basse température avec les laminoirs actuels sans aucun problème. Deux modes de refroidissement ont été testés : un refroidissement à l'air et un refroidissement à l'eau, c'est-à-dire une trempe. Enfin, deux cycles thermiques ont également été essayés : le premier consistant en un revenu unique au-dessous de AC1, le deuxième consistant en un premier revenu entre AC1 et AC3 dit revenu "intercritique" et un second revenu au-dessous de AC1. Par ailleurs, certains aciers ont été étudiés bruts de trempe. Après traitement, des éprouvettes ont été prélevées dans le métal dans le sens de la longueur pour déterminer les propriétés mécaniques du métal, sur une épaisseur d'environ 1,35 mm. Exemple 1 : Aciers à 9 % de nickel Température de réchauffage : 1200 et 10500C Refroidissement par trempe à l'eau ou refroidissement à l'air Revenu intercritique, le cas échéant : bain de sel à 6300C - 30 mn, puis refroidissement à l'air Revenu : bain de sel à 5800C pendant 6 h, puis refroi dissement à l'air. Ces températures de traitement sont choisies en fonction des températures de transformation de cet acier. Les caractéristiques mécaniques portent sur la limite d'élas ticité Re, la résistance R, l'allongement, les caractéristiques de TK6 et la ductibilité à - 1960C. L'ensemble des résultats obtenus est regroupé dans le tableau I. Sur ce tableau, les conditions repérées D1 2A, 3A, 4A correspondent à un simple revenu au-dessous de AC1 et les aciers repérés D1 2B, 3B, 4B comprennent un revenu intercritique entre AC1 et AC3 puis un revenu au-dessous de AC1. On remarque, en comparant les propriétés mécaniques obtenues aux normes imposées, que presque tous les traitements donnent des caractéristiques notablement supérieures aux valeurs exigées. Le traitement 3 se révèle particulièrement intéressant, d'une part en raison des caractéristiques mécaniques qu'il permet d'obtenir, et d'autre part en raison des températures d'austénisation et de revenu basses qui se traduisent par des économies d'énergie. Exemple 2 : Aciers à 5 % de nickel Toutes les conditions expérimentales sont identiques, excepté les températures de traitement thermique afin de tenir compte des températures de transformation qui sont de 6800C pour AC1 et 7800C pour AC3. Revenu intercritique : bain de sel à 7000C - 30 mn Revenu : bain de sel à 630"C pendant 2 h, suivi d'un refroidissement à l'air. Les traitements 1 à 4 comportent un simple revenu au-dessous de AC1, alors que les traitements 5 à 8 comportent un premier revenu intercritique entre AC1 et AC3, suivi d'un revenu au-dessous de A1. Les caractéristiques mécaniques obtenues sont groupées dans le tableau II. L'examen de ce tableau est extrêmement intéressant, car il montre que tous les traitements intéressés permettent d'obtenir des caractéristiques très supérieures à celles exigées, y compris avec les traitements à un seul revenu au-dessous de AC1. Une autre remarque très importante découle de l'examen des résiliences à - 1960C. On voit en effet que les traitements 1, 4, 7 et 8 comportant un refroidissement à l'eau après laminage donnent à ces aciers des caractéristiques mécaniques qui correspondent à celles des aciers à 9 % de nickel I1 devient donc possible, en employant notamment le traitement 4 particulièrement économique, d'utiliser des aciers à 5 % de nickel à la place des aciers à 9 % de nickel. On réalise ainsi une double économie, d'une part sur l'énergie thermique consommée par le traitement, et d'autre part sur la quantité de nickel nécessaire. Exemple 3 : Aciers à 3,5 % de nickel Les conditions de traitements sont identiques aux-predentes, mais avec des températures de revenu tenant compte du déplacement des points AC1 et AC3 qui se situent respectivement à 6900C et 8200C. Les traitements 1, 2, 3 comportent un simple revenu et les traitements 4, 5, 6, un revenu intercritique suivi d'un revenu audessous de AC1. Revenu intercritique : bain de sel à 7200C - 30 mn Revenu : bain de sel à 6300C - 2 h refroidissement air. Les résultats des essais mécaniques confirment comme pour les nuances précédentes que tous les traitements permettent d'atteindre des caractéristiques supérieures à celles mentionnées par les normes françaises. De plus, on remarque pour cette nuance d'acier que tous ces traitements donnent un produit dont les caractéristiques permettent l'utilisation en remplacement des aciers à 5 % de nickel. Ceci ressort des températures pour lesquelles on obtient une valeur de 100 J/cm2 comme énergie de rupture, c'est-à-dire la colonne repérée TK 100. On voit que toutes ces températures sont inférieures à - 1200C pour laquelle la norme exige seulement une valeur de 60 J/cm2 pour les aciers à 5 % de nickel. Exemple 4 : Aciers à 1,5 % de nickel Les conditions de traitement sont différentes avec des températures de normalisation de 8750C ( > AC3) et de revenu de 6300C pour tenir compte des températures de AC1 et AC3 qui sont de 6900C et 8300C. Le traitement intercritique n'a pas été envisagé. Les traitements 1, 2, 3 comportent un unique revenu audessous de AC1 et le traitement 4 une normalisation (TO > AC3), suivi du même revenu au-dessous de AC Le traitement 5 ne comporte aucun revenu. On remarque que tous les traitements comportant au moins un revenu donnent des caractéristiques mécaniques très supérieures à celles imposées par les normes. De même que pour les nuances précédentes, on constate que certains traitements 1, 2, 3 notamment, permettent d'obtenir des valeurs qui rendent possible l'utilisation des aciers à 1,5 % de nickel ainsi traités en remplacement de l'acier à 3,5 %. il est à noter que l'acier soumis à un traitement sans aucun revenu donne des valeurs de Re et R particulièrement élevées bien que l'allongement soit un peu faible pour répondre à la norme. I1 n'en est pas moins vrai qu'avec un refroidissement à l'air, il devrait être possible d'atteindre la valeur préconisée, ce qui fournit alors un traitement particulièrement économique pour produire des tôles à 1,5 % de Nickel pour emploi à basse température. De l'ensemble des essais, on peut déduire que pour chaque teneur il y a plusieurs traitements susceptibles de donner un acier dont les propriétés mécaniques sont largement supérieures à celles préconisées par les normes, et en particulier, un traitement particulièrement économique comportant un préchauffage à basse température 10500C, suivi d'un simple revenu à basse température ( De plus, on constate que pour chaque nuance, il existe également plusieurs traitements permettant d'obtenir, pour une nuance, des propriétés mécaniques exigées pour la nuance à teneur supérieure en nickel. Du ce fait, il devient possible de remplacer par exemple un acier à 9 % nickel par un acier à 5 % de nickel et ainsi de suite. Dans ce cas également, le traitement simple décrit ci-dessus permet d'atteindre ce résultat. En résumé, on peut dire que le traitement objet de l'inven- tion permet de réaliser des économies substantielles par rapport au procédé habituel, d'une part, du point de vue énergie thermique, en abaissant la température de début de laminage, en supprimant le traitement d'austénitisation et en utilisant un revenu à basse température, et d'autre part, du point de vue de la teneur en nickel, en abaissant la teneur nécessaire dans les aciers pour atteindre les caractéristiques exigées par les normes. Par ailleurs, bien que les nuances étudiées contiennent du molybdène destiné à diminuer ou supprimer la fragilité au revenu, il est évident qu'en raison des hautes caractéristiques obtenues il est possible d'utiliser, dans certains cas, des nuances sans molybdène. Dans un même ordre d'idée, il peut être par contre souhaitable dans certains cas, afin de faciliter le laminage contrôlé, d'ajouter à l'acier du niobium à une teneur comprise entre 0,010 0,050 %. Chacun sait en effet que cet élément empêche la recristallisation à chaud du grain d'austénite écrouie, donc dans le cas présent, permet de refroidir à coup sûr l'austénite écrouie telle qu'elle sort du laminoir. Outre le niobium, on peut également envisager, si nécessaire, d'ajouter du vanadium à une teneur de 0,010 à 0,1 % pour augmenter dans certains cas les caractéristiques mécaniques. En fait, si ces additions apportent toujours un effet favorable, il est bien évident que l'on n'y a recours que si cela est vraiment nécessaire. En conclusion, on comprend que l'invention fournit un procédé de fabrication de tôles au nickel pour utilisation cryogénique telle que fabrication de cuve de méthaniers, d'appareil de liquéfaction de gaz, cuves, réservoirs de stockage ... qui permet d'abaisser substantiellement leur prix de revient tout en garantissant les caractéristiques mécaniques exigées par les normes d'utilisation. TABLEAU I ACIER 9 Ni Traitements Repères E/Nmm Re/Nmm A % Tk6/ C K-196 C J/cm refroidissement eau 1 D1-2A 851 920 20,8 #-196 110 température avant revenu laminage : 1200 C # refroidissement air # 580 C - 6 h # 2 D1-3A 867 910 23,1 #-196 130 température avant laminage : 1050 C # refroidissement air refroid. air 3 D1-4A 868 900 21,5 #-196 140 refroidissement eau 4 D1-2B 752 983 25,1 #-196 116 température avant revenu laminage : 1200 C # 630 C - 30 mn refroidissement air # refroid. air # 5 D1-3B 713 967 25,6 #-196 120 température avant + 580 C - 6 h laminage : 1050 C # refroidissement air refroid. air 6 D1-4 735 978 24,8 #-196 100 Propriétés exigées par les normes françaises 588 686 22 résilience à -196 C K=60 J/cm minimum individuel TABLEAU II ACIER 5 Ni Traitements Repères E/Nmm Re/Nmm A % Tk60/ C Tk100 C K-196 C J/cm refroidissement eau 1 D2-1A 748 808 23,8 -126 -175 70 température avant laminage : 1200 C # revenu refroidissement air 2 D2-2A 545 747 25,4 -130 -115 16 # 630 C - 2 h # refroidissement air 3 D2-3A 545 737 25,7 -145 -140 15 température avant refroid. air laminage : 1050 C # refroidissement eau 4 D2-4A 720 775 23 #-196 #-196 110 refroidissement eau 5 D2-1B 665 809 26,2 #-196 -196 100 température avant laminage : 1200 C # revenue refroidissement air 6 D2-2B 627 746 24,7 -185 -165 50 700 C-30 mm refroidissement air # + 580 C-6 h # 7 D2-3 648 778 24,4 -160 -150 45 température avant laminage : 1050 C # refroid. air 8 D2-4 642 831 25,7 #-196 #-196 140 refroidissement eau Normes pour aciers à 5 % Ni 592 #540 23 Résilience à -120 C K = 60 J/cm minimum indiv Normes pour aciers à 9 % Ni 588 #686 22 Résilience à -196 C K = 60 J/cm minimum indiv TABLEAU III ACIER 3,5 Ni Traitements Repères E/Nmm Re/Nmm A % Tk60/ C Tk100 C refroidissement eau 1 D3-1A 625 688 25,2 -150 -150 température avant revenu laminage : 1200 C # refroidissement air # 630 C - 2 h # 2 D3-2A 456 617 29,1 -145 -140 température avant laminage : 1050 C # refroidissement air refroid. air 3 D3-4A 460 604 30 -155 -155 refroidissement eau 4 D3-1B 495 680 28,8 -155 -150 température avant revenu laminage : 1200 C # 720 C - 30 mn refroidissement air # refroid. air # 5 D3-2B 472 613 30,2 -155 -150 température avant + 630 C - 2 h laminage : 1050 C # refroidissement air refroid. air 6 D3-4 441 621 32,5 -155 -150 Normes pour aciers à 3,5 % Ni 275 450-530 23 Résilience à -100 C K = 50 J/cm minimum Normes pour aciers à 5 % Ni 392 #540 23 Résilience à -120 C K = 60 J/cm minimum TABLEAU IV ACIER 1,5 Ni Traitements Repères E/Nmm Re/Nmm A % Tk50/ C Tk100 C refroidissement eau # 1 D4-1A 691 740 22,1 -150 -145 température avant revenu laminage : 1200 C # refroidissement air # 630 C - 2 h # 2 D4-3A 540 692 24,7 -135 -115 température avant laminage : 1050 C # refroidissement air refroid. air # 3 D4-4A 532 672 24 -140 -120 normalisé température avant 875 C - 30 mn laminage : 1200 C # refroidissement air # + revenu # 4 D4-4 465 643 25,8 -95 -80 630 C-2 h air température avant brut de laminage : 1200 C # refroidissement eau # laminage et # 5 914 1160 14,4 -115 -80 de trempe Normes pour aciers à 1,5 % Ni 345 490-590 19 Résilience à -70 C K = 50 J/cm minimum Normes pour aciers à 3,5 % Ni 392 #540 23 Résilience à -100 C K = 50 J/cm minimum REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication de tôles destinées aux utilisations à basse température, réalisées dans des nuances d'acier contenant de 1,5 à 9 % en poids de nickel et comprenant une mise en forme par laminage à chaud caractérisé en ce que le laminage est contrôlé, notamment dans les dernières passes pour obtenir une austénite métallurgiquement écrouie par un taux de corroyage d'au moins 1,55 et en ce que la tôle a l'état austénitique ainsi défini est immédiatement soumise à un refroidissement permettant d'obtenir une structure avec un maximum de martensite. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tôle est soumise à un refroidissement accéléré pour obtenir une vitesse de refroidissement égale ou supérieure à 150C par seconde. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la tôle est soumise à un revenu a une température inférieure à celle du point AC1 de l'acier pendant une durée d'au moins 1 heure. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le revenu est précédé d'un traitement thermique à une température comprise entre AC1 et AC3. 5. Procédé selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'acier contient de 0,1 à 0,5 % en poids de molybdène. 6. Procédé selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'acier contient de 0,010 a 0,050 % en poids de niobium. 7. procédé selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'acier contient de 0,010 a 0,100 % en poids de vanadium.