Brevet FR2324745A1 — publié le 19770415

La présente invention concerne le traitement thermique du fil machine en acier après laminage et plus particulièrement celui des fils durs (teneur en carbone supérieure à 0,4 %). Le domaine d'emploi du fil machine est très vaste et les transformations mécaniques qu'il est appelé à subir ultérieurement sont évidemment tres différentes suivant les applications envisagées. Il est donc souvent -nécessaire d'optimiser sur un même train à fil des exigences de résistance, de ductibilité, d'aptitude au tréfilage, de plasticité à froid, d'aspects superficiels, etc... La plus grande partie du fil machine étant destine au tréfilage, on recherche notamment presque toujours, pour une composition chimique déterminée, des structures métallographiques propices à une réduction de diamètre importante, et permettant d'obtenir après tréfilage les caractéristiques désirées. Après laminage, des traitements thermiques complémentaires du type patentage sont donc souvent effectués sur le fil dur pour lui conférer les structures optimales en vue du tréfilage et des utilisations ultérieures. Avant la mise en service des trains modernes permettant un contrôle du refroidissement dans la chaude de laminage, on effectuait presque toujours sur le fil dur, avant ou apres un certain nombre de passes intermédiaires de trefilage, un traitement dit "de patentage", encore pratiqué dans les cas difficiles. Ce traitement thermique consiste en une austénisation relativement rapide du métal vers 9500C, suivie soit d'un passage "au défilé" du fil dans un bain de plomb vers 500"C, soit, pour les plus gros diamètres, d'une immersion en bain de sel de la couronne expansée en vue d'obtenir une transformation en perlite fine et une fois la transformation structurale terminée, le refroidissement s'achève à l'eau ou à l'air. Des trempes isothermes sur un acier de composition : C % = 0,75 - Mn % = 0,6 - 0,9 - Si % = 0,10 - 0,35 - Cr % Cr + Ni + Cu s 0,035 correspondant à la désignation FM 78, ont montré qUe les perlites formées à une température légèrement supérieure à celle d'apparition des premières lattes de ferrite bainitique (nez de la courbe TTT) correspondent pratiquement à la meilleure combinaison résistancestriction et à une bonne aptitude au tréfilage.Les distances interlamellaires de la perlite les plus faibles semblent souhaitables, donc les températures de réaction perlitiques les plus basses puisqu'en première approximation la distance interlamellaire S dépend du sous-refroidissement AG = A1-6 (A1 tempéra- ture eutectolde) par une relation du type SA = 90000/Ae. Pour le fil dur patenté dans de bonnes conditions, la structure résultante est effectivement constituée d'une quantité minimum de ferrite proeutectolde et o d'une perlite très fine (S machine-. Toutefois, le coût et les sujetions de ce traitement thermique supplémentaire, de même que les difficultés d'obtention de structures bien homogenes sur jes couronnes de plus en plus grosses laminées à des vitesses de plus en plus eevées, ont conduit à contrôler le refroidissement dans la chaude de laminage'pour essayer d'obtenir directement des structures comparables à celles permiens par patentage. Le but de la présente invention est donc de fournir un procédé de traitement du fil machine permettant d'obtenir directement un fil dont les caractéristiques mécaniques soient comparables à celles obtenues par patentage. A cet effet, l'objet de l'invention est un procédé de refroidissement du fil machine dans la chaude de laminage comportant les etapes suivantes refroidissement initial direct jusqu'au seuil de transformation perlitique-de l'acier avec une vitesse de refroidissement proche de celle necessaire pour obtenir de la bai ni te, détection du début de la transformation et comparaison de la température de début de transformation à des valeurs de référence prédéterminées pour s'assurer que la transformation a bien débuté dans le domaine ferrito-perlitique, refroidissement complémentaire pendant la duree de la trans-formation pour réduire l'importance de la recalescence, refroidissement final pour amener le fil à la température de bobinage. Afin de mieux faire ressortir l'intérêt de l'invention, on va décrire dans un premier temps les procédés actuellement mis en oeuvre, puis le procédé préconisé par le demandeur. Ces descriptions sont données en regard des planches de dessin annexées sur lesquelles - la figure 1 represente une comparaison des différents cycles de refroidissement comparés superposés à un diagramme type de transformation en refroidissement continu de fil machine ; - la figure 2 représente une série de cycles de refroidissement correspondant à des procédés connus et au procéde objet de l'invention superposés à un diagramme type de refroidissement continu d'un fil machine FM 78 ; - les figures 3 à 7 représentent des structures métailographiques obtenues avec le procedé objet de l'invention. Les divers procédes connus comportent généralement un refroidissement initial très rapide à l'eau du fil en sortie de laminage jusqu'à une température inferieure à 8000C pour limiter le taux de calamine, puis un refroidissement plus modéré (air libre ou air soufflé) au moment de la transformation Y + a pour éviter les risques d'apparition de martensite. Les structures per- litiques résultantes sont toujours plus grossières que celles obtenues par un patentage bien conduit. De ce fait, même avec les trains modernes, la résistance du fil machine se situe, pour du FM 78 par exemple, à 100-200 N/mm2 au-dessous de ce que l'on peut espérer d'un patentage complémentaire. On peut voir sur la figure l, superposés à un diagramme type de transformation en refroidissement continu d'un fil dur, deux cycles de refroidissements particuliers. Le cycle. I correspond à un refroidissement contrôlé sur train à fil moderne, le cycle Il à une amélioration du cycle précédent obtenue par le procédé selon l'invention. En fin de laminage, la temperature du fil est de l'ordre de 1000 C, sa vitesse de défilement peut atteindre 15 m/s pour un fil de 11 mn de diamètre, 60 m/s pour un diamètre de 5,5 itin. La première phase de refroidissement dans les boîtes à eau (en général trois ou quatre separées par des espaces d'homogéneisation thermique coeur-peau) est rapide et peut être dosée pour ajuster la température de dépose eDi; eA. La température en sortie des boites à eau est rarement inférieure à 7000C pour eviter d'obtenir accidentellement des plages de martensite par entraînement d'eau ou de rendre délicat le contrôle des gradients thermiques coeur-peau aux grandes vitesse de laminage.Une "formeuse de spires" dépose alors sur un convoyeur le fil en spires disjointes, soit verticales, soit étalées horizontalement. Dans le premier procédé, les spires sont refroidies naturellement à l'air puis couchées sur le convoyeur et empilées en fin de ligne. Dans le second procédé les spires, directement couchées et éta lees, passent sur plusieurs zones de refroidissement où l'air est soufflé par de puissants ventilateurs disposés sous le convoyeur. Le débit des ventilateurs peut être généralement réglé au niveau de chaque zone. Les trains actuels ne permettent pas de dépasser des vitesse de refroidissement avant transformation de l'ordre de 10Ces pour des diamètres de 11 mm.A titre de comparaison, la vitesse critique pour obtenir un débit de transformation bainitique est de l'ordre de 25-30"C/s pour du FM 78. Pour un fil de composition classique déterminée, la température de début de transformation eA dépend de la taille du grain austénitique (donc du traitement thermomécanique imposé par le train) et de la vitesse de refroidissement (puissance des ventilateurs, diamètre du fil, étalement des spires, vitesse du convoyeur. ). La transformation à coeur s'effectue souvent en partie à des températures supérieures à celle du début de transformation du fait de l'enthal- pie de réaction (de l'ordre de 25 cal/g vers 650"C). Ce phenomene de recalescence correspond par exemple à une remontée en température supérieure à 40"C pour du FM 78 laminé en 11 mm de diamètre. La recalescence prementionnée interdit pratiquement d'obtenir des produits de réaction perlitique à des températures inférieures à celle du début de rédaction. Par ailleurs un abaissement de cette dernière par intensification du refroidissement avant transformation risque de faire débuter celle-ci dans le domaine bainitique (voir figure 1) et de conduire, faute de recalescence mar quée dans ce domaine, a une fin de réaction martensitique.Il faut donc rechercher des températures de réaction perlitique à coeur les plus basses possible en se gardant d'un début de transformation bai ni tique. Ce dernier risque est en principe éliminé si, après un faible taux de réaction perlitique en peau, le front de transformation gagne le coeur du fil avec la même vitesse de refroidissement à l'interface T + a (pompage progressif de llenthalpie de transformation réalisé sur la loi de refroidissement Il de la figure 1). L'amélioration propose consiste essentiellement à augmenter la puissance de refroidissement après détection du debut de transformation dans le domaine ferrito-perlitique de manière à obliger les températures de réaction à coeur à se maintenir sensiblement au niveau de cefles du nez perlitique de la courbe TTT de l'acier considéré. Pratiquement le refroidissement initial devra porter le fil à une température de début de transformation pas tres éloignée du seuil de transformation basaltique, mais pas nécessairement aussi basse. Apres transformation complète, le refroidissement pourra être ralenti puisqu'il ne s'agira plus que de ramener le fil à la température de bobinage. les demandeurs ont effectue sur un appareil mis au point à cet effet une séire d'essais de simulation sur microéprouvettes de traction en aciers durs pour examiner comment le contrôle du refroidissement peut décaler la cinétique de transformation perlitique vers les basses températures et pour suivre l'évolution correspondante des températures mécaniques. La figure 2 permet de comparer un refroidissement sur train moderne connu (FM 78 en 8 11 mm) représenté par la courbe S à deux types de refroidissement réalisés en partant du même grain austenitique a) une serie de trois lois C, D et-E correspondant à une vitesse initiale de refroidissement de 200ces et présentant des taux de recalescence variables (depuis la suppression complète jusqu'à l'absence de modification de la puissance de refroidissement en cours de transformation) ; b) un refroidissement initialement un peu plus lent que celui mentionné pour le train connu, mais ou l'enthalpie de transformation est exactement absorbée par un accroissement de la puissance de refroidissement représenté par la courbe F. Pour la loi de refroidissement la plus rapide sans recalescence, il. a été vérifié par microscopie électronique sur lames minces (figures 3 à 7) que la structure essentiellement composée de perlite fine (parfois "degénérée") ne présente pas de lattes bainitiques. Les caracteristiques mécaniques correspondant aux lois de refroidissement de la figure 2 montrent l'intérêt du procédé. Ces caractéristiques sont rassemblees dans le tableau ci-dessous, en référence aux différents cycles C à G, où Rm représente la résistance a la traction, Re la limite élastique, A l'allongement et Z la striction C D E F S Rm N/mm2 1420 1320 1245 1280 1100 Re N/mm2 1050 920 860 860 750 A % 12,5 13,5 14 13,5 13 Z % 37 38 41 38 32 On constate notamment (courbes C et E) que la suppression de recalescence donne lieu a un gain de résistance de 175/mm2 pour une vitesse de refroidissement initiale déterminée et permet d'obtenir des caractéristiques supérieures a celles obtenues pour une vitesse initiale de refroidissement plus sévère et une recalescence "normale".Les caractéristiques de ductibilité telles que l'allongement et la striction sont peu affectées. A titre de comparaison7 le fil correspondant à l'exemple de la figure 2 avait, après patentage industriel en diamètre de 11 mm, une résistance moyenne de 1200 N/mm2 et une striction de 37 %. Les demandeurs ont repris ces essais sur le même acier, mais en partant d'un grain austénitique très fin (10 vm). Les conclusions ont été comparables. En absorbant régulièrement la chaleur de transformation lors d'un cycle comparable au cycle classique dans sa partie initiale la résistance passe de 1100 a 1250 N/mm2 avec même une amélioration de quelques points de la striction. On va maintenant donner quelques moyens pour réaliser industriellement le cycle de refroidissement contrôlé du fil machine d'acier dans la chaude de laminage. Ce cycle doit présenter les étapes suivantes - refroidissement initial rapide depuis la température de fin de laminage jusqu'a une température inférieure à 8000C (boUtes à eau par exemple), - refroidissement plus modéré du fil jusqu'à une température de transformation ferrito-perlitique pas très éloignée du seuil de transformation bainitique (air soufflé sur spires étalées par exemple), - détection du début de transformation (lunettes infrarouge, perméamètre) et mise en fonctionnement d'un refroidissement supplémentaire réglé ou régulé de manière à absorber au fur et a mesure de la transformation la chaleur degagée par celle-ci.Ceci peut être réalisé par injection brusque dans les veines de refroidissement à l'air d'un brouillard d'eau a taux d'humidité continûment contrôlé, ou par soufflage d'air préalablement refroidi par injection de vapeur d'eau (ou de tout autre fluide adéquat) ou encore par arrosage de la peau déjà transformee du fil avec un fluide liquide chaud, ou par passage dans un liquide a température plus ou moins élevee, ou dans un milieu fluidisé. Ce refroidisse ment supplémentaire pourra être interrompu des la fin de transformation. Comme il ressort du texte, on comprend que le procédé objet de l'invention permet d'obtenir des fils machine présentant des caractéristiques extrèmement favorables et ce sans avoir recours au traitement de patentage qui exige des opérations supplémentaires toujours tres coûteuses. REVENDICATION 1. Procédé de refroidissement contrôlé du fil machine dans la chaude de laminage caractérisé en ce que l'on effectue un refroidissement initial direct du fil jusqu'au seuil de transformation perlitique de acier avec une vitesse de refroidissement proche de celle permettant d'obtenir de la bainite que l'on détecte le début de la transformation, que l'on compare la température de début de transformation à des valeurs de référence pour s'assurer que la transformation a débuté dans le domaine ferrito-perlitique, que l'on applique un refroidissement supplémentaire pendant la transformation pour réduire 1 'impor- tance de la recalescence, et en ce que, apres transformation complète, on amène le fil à la température de bobinage.