Brevet FR2340496A1 — publié le 19770902

La présente invention, due à Monsieur André GUEUSSIER, est relative à des tubes sans soudure en acier à usinabilité améliorée, en particulier grâce à l'addition de plomb, ainsi qu a un procédé de fabrication de ces produits. Il est connu d'améliorer l'usinabîlité des aciers ordinaires ou alliés destinés au décolletage par des additions de soufre, selenium, tellure, plomb, etc... et, de façon plus générale, de métaux ou impuretés donnant naissance à des phases fusibles insolubles dans l'acier ou précipitées en cours de solidification. L'addition de ces éléments pose de sérieux problemes de fabrication : criques de solidification, brûlures prématurées, faible ductilité à chaud entraînant des criques de laminage et de forgeage. En ce qui concerne plus spécialement le plomb, dont l'action est tres favorable sur l'usînabilité, sa faible solubilité à l'étatliquide, ainsi que la tendance de cet élément lourd à décanter en formant des amas dans les lingotières, limitent le pourcentage d'addition admissible à environ 0,25 %. On peut certes ajouter d'autres éléments que le plomb, comme S, Se, Te, mais on accroît encore les difficultés de transformation, en particulier lors du laminage à chaud. II est donc impossible d'obtenir des demi-produits transformés à chaud en acier à teneur élevée en plomb ( > 0,4 Z) par les techniques classiques de la sidérurgie, c'est- -dire en passant par l'état liquide. On peut alors envisager de les obtenir par une technique de fabrication par voie solide, en particulier par compactage d'un mélange de copeaux et chutes d'acier de la nuance désirée et de poudre de plomb et filage à la presse, Cette technique permet d'obtenir des barres longues d'acier à haute teneur en plomb, mais elle ne permet pas la fabrication de produits tubulaires, ni directement, ni par transformation ultérieure. Or, il est intéressant, dans de nombreux cas, de partir de demi-produits tubulaires en acier à haute usinabilité pour la fabrication de pièces mécaniques de révolution comme par exemple les bagues de roulement ou les chemises de vérins. La présente invention a pour but de permettre la fabrication de tubes sans soudure à haute teneur en plomb, en particulier de tubes à usages mécaniques et de tubes à roulements, présentant une usinabilité très améliorée par rapport aux tubes en acier de décolletage de même nuance mais ne contenant pas de plomb ou n'en contenant qu'aux teneurs faibles permises par les techniques habituelles. Les tubes sans soudure selon l'invention en acier ordinaire ou allié à usinabilité améliorée par addition de plomb ont une teneur en plomb comprise entre 0,4 et 2 %. Ils peuvent en outre contenir d'autres éléments d'addition favorables à ltusinabilite appartenant au groupe constitué par S, Se, Te, Sn, Zn, Bi en proportion totale inférieure à I Z. Le procédé de fabrication des tubes selon l'invention consiste en ce que : a) on prépare un minerai de fer concentré pré-réduit dont la teneur en oxydes non réductibles est inférieure à I % b) on effectue un mélange homogène de ce minerai en poudre avec de la poudre de plomb ou dtun composé de plomb de granulométrie inférieure ou égale à celle du minerai en quantité correspondant à la teneur souhaitée dans placier, dlun lubrifiant, d'un réducteur carboné en poudre ou liquide, et éventuellement d'un liant c) on compacte à la presse un lopin creux de ce mélange d) on porte dans un four le lopin compacté à une température comprise entre 1100 et 13500 C sous courant de gaz neutre ou réducteur de manière à opérer la réduction complète en un lopin d'acier poreux non oxydé e) on file le lopin sur une presse à filer avec une technique connue de lubrification de manière à obtenir le tube désiré. Selon une des caractéristiques du procédé, on prépare un minerai de fer concentré pré-réduit dont la teneur en oxydes non réductibles soit inférieure à I % par - broyage d'un minerai de fer enrichi de type courant à une granulometrie inférieure à la maille de libération, pour obtenir des particules d'entité minéralogique unique - pré-réduction du minerai broyé sous forme de poudre ou de boulettes - broyage du minerai pré-réduit à une granulométrie inférieure ou égale à celle du minerai avant pré-réduction - enrichissement par séparation magnétique basse intensité On peut partir de cette manière d'un minerai superconcentré de n'importe quelle provenance.On choisira de préférence un minerai dont la teneur en oxydes non réductibles ne dépasse pas 10 % et dont la teneur en phosphore ne dépasse pas 0,05 %. La pré-réduction peut se faire par les techniques courantes (fluidisation dans un courant de C0+H2, pré-réduction en boulettes par le carbone ou CO+H2). La séparation magnétique basse intensité peut se faire à sec ou à l'eau, le traitement humide étant choisi de préférence pour une granulométrie inférieure à Sou. Après la séparation magnétique basse intensité, on obtient un minerai incomplètement réduit contenant au maximum 25 % de FeO. Le minerai en poudre lavé et séché est mélangé de manière homogène avec de la poudre ou cendrée de plomb à une granulométrie égale ou inférieure à celle du minerai. On peut introduire également le plomb sous forme de poudre d'oxyde de plomb (ou litharge) ou de sulfure de plomb (galène), ce dernier cas permettant d'introduire simultanément Pb et S. On ajoute si nécessaire au mélange les éléments d'alliages nécessaires à l'analyse souhaitée, à condition que ces éléments soient moins oxydables que le fer. Les éléments ajoutés (jusqu'à 5 % > peuvent être des métaux d'alliage tels que Ni, Cu, Mo, W, qui sont introduits en poudre d'une granulométrie inférieure ou égale à celle du minerai soit sous forme métallique, soit sous forme de ferro-alliages, soit sous forme de composés comme les oxydes.On peut également introduire du manganèse ou du chrome à des teneurs inférieures à I %. Les éléments ajoutés peuvent être également des éléments ayant le rôle favorable à l'usinabilité que le plomb, c'est-à-dire S, Te, Se, Sn, Zn, Bi qui sont introduits sous forme de poudres de ces éléments ou de certains de leurs composés, d'une granulométrie inférieure ou égale à celle du minerai. Le soufre en particulier peut être introduit sous forme de fleur de soufre, de sulfure de Pb, de Fe ou de Mn. Le rendement des additions étant pratiquement égal à 1, on introduit juste les quantités nécessaires pour obtenir la teneur désirée dans l'acier (jusqu'à I %). A ce mélange, on ajoute un lubrifiant de démoulage et éventuellement un liant de frittage, et dans une première variante, un réducteur qui peut être soit du carbone sous forme par exemple de graphite en poudre, soit un composé carboné tel qu'un hydrocarbure comme le fuel. La quantité de réducteur à ajouter peut être calculée avec précision, le rendement étant très voisin de 1, pour assurer la réduction complète et l'apport de carbone nécessaire à la teneur désirée dans l'acier, compte tenu du carbone déjà présent dans le minerai pré-réduit. Le mélange précédent est compacté, sur une presse hydraulique , ou par toute autre méthode utilisée dans la métallurgie des poudres, à des pressions comprises entre 30 et 90 kg/mm2 sous forme d'un'lopin creux sensiblement cylindrique. Le lopin compacté est introduit dans un four qui le porte à une température comprise entre 1100 et 1350o C, cette opération assurant à la fois le frittage du lopin, la réduction totale du minerai à l'intérieur du lopin et la mise en température pour le filage ultérieur. Pour que la réduction soit totale, le four est maintenu en surpression et constaunent balayé par un courant de gaz neutre, de préférence azote. Dans une seconde variante, on ajoute seulement au mélange le complément de carbone nécessaire l'analyse désirée de l'acier, par rapport à celui contenu dans le minerai, le réducteur étant apporté sous forme gazeuse au moment de l'opération de réduction complète. Le réducteur gazeux peut etre de l'hydrogène, de l'ammoniac craqué ou tout autre mélange réducteur riche en hydrogène. Ce réducteur gazeux circule en surpression, à contre courant du lopin, dans une pre mière zone du four où le métal est porté entre 400 et 7000 C, le lopin entrant ensuite dans la seconde zone du four dont la température est comprise entre 1100 1350a C, balayée par un courant de gaz neutre sous une pression légèrement supérieure à celle de la première zone. Le lors c creux d'acier poreux non-oxydé ainsi obtenu est alors trans forme en tube par filage sur une presse à filer de puissance adéquate en utili une une des technique connues de lubrification, comme par exemple, la lubri ficati3n a base de graphite ou de sulfure de molybdène, ou l'enrobage par un produit vitreux On obtient ainsi des tubes sans soudure présentant une très grande fa cilité d'usinage, supérieure aux aciers de décolletage connus. On constate par ailleurs que les caractéristiques mécaniques de ces aciers par rapport aux aciers ne contenant pas de plomb ne sont pas détériorées.L'examen micrographique montre que le plomb se trouve dispersé dans le métal de manière homogène sous forme de fins globules légèrement allongés ( Les tubes obtenus peuvent avantageusement subir un traitement thermique de recuit. leur conférant une structure mixte ferrite-perlite favorable à l'usi nabilité. Le tableau suivant donne un certain nombre d'exemples non limitatifs de nuances nouvelles qu'il est possible de fabriquer, sous forme de tubes, selon la présente invention Nuance C Mn Ni Cr Mo S Ph Fe A 0,4/0,6 balance B 0,8/1 balance C 0,20/0,30 0,05 9,8/1 balance D 0,30/0,40 0,8/1 balance F 0,4/0,8 0,25/0,40 0,4/0,6 balance F 0,5 /1 0,4 /0,6 0,4/0,6 balance G 0,15/0,25 0,15/0,30 1,8/2,2 0,2/0,3 0,8/1 balance H 0,15/0,25 0,4 /0,8 1,8/2,2 0,2/0,3 0,25/0,40 0,4/0,6 balance I 0,15/0,25 0,15/0,30 0,4/0,6 0,4/0,6 0,4/0,6 0,05 0,8/1 balance @ 0,9 /1,1 0,15/0,30 0,4/0,6 0,4/0,6 balance /1,1 0,15/0,30 0,4/0,6 0,4/0,6 0,8/1 balance L'effet favorable dû à une addition importante de plomb est illustré Ça la figure unique qui donne la variation de l'effort axial de pénétration en fonction de la vitesse de rotation dans un essai de perçage avec un foret de nu. La courbe A correspond à un acier ordinaire fabriqué selon le procédé de l'invention ne contenant ni Pb, ni S. La courbe B correspond à un acier similaire avec addition de 0,3 % de S. Les courbes C et D correspondent respectivement au même acier ordinaire que A mais avec des additions de 0,5 et 1 Z de Pb. Les tubes selon l'invention peuvent servir d'ébauches pour des pièces mécaniques on permettant des gains importants pour l'usinage. Ils peuvent servir également à la fabrication de bagues de roulement, comme le montrent les exemples de nuances G à K du tableau ci-dessus. Le procédé de fabrication des tubes selon l'invention est illustré par les exemples de réalisation suivants Exemple I On part d'un minerai de magnétite de Suède concentré dont l'analyse est la suivante, en % : Fe304 = 95,2 Fe203 = 2,5 Si02 = 0,9 Al203 = 0,5 MgO = 0,35 Ti02 = 0,25 S = 0,010 P205 = 0,02 Mn = 0,1.0 Ce minerai a été broyé fin en-dessous de la maille de libération, sa granulométrie étant comprise entre 30 et 100p. Il est bouleté et traité dans une installation de pré-réduction classique comportant un four à cuve, le gaz réducteur C0+H2 étant obtenu par reformage de gaz naturel. On obtient des boulettes pré-réduites dont le taux de métallisation moyen est de 88 Z.Les boulettes sont broyées pour donner une poudre de granulométrie voisine de la précédente. Sur ces fines, on réalise une opération de séparation magnétique à basse intensité effectuée à l'eau et réalisée deux fois de suite. La poudre obtenue a l'analyse suivante (en Z) C = 1,17 Fe = 83,8 FeO = 14,7 Sioa = 0,08 Al203 = 0,05 MgO = 0,07 Ti02 = 0,05 S = 0,008 P = 0,01 On malaxe cette poudre, après l'avoir épaissie, filtrée et séchée, de façon à obtenir un produit homogène avec les additions suivantes (en Z en poids du minerai) - un lubrifiant (stéarate organique) 0,75 Z - un liant (polyméthacrylate de méthyle) 1,5 % - de la cendrée de plomb très fine (granulométrie de 30 à 80p) à raison de 1 % du mélange - du graphite : 1,58 % La quantité de graphite est déterminée de la façon suivante - carbone de reduction pour 3,3 Z d'02 lié au Fe 2,48 Z - carbone d'analyse de l'acier (0,25 x 0,967) 0,24 Z Besoins en carbone 2,72 Z Carbone présent 1,17 % Carbone nécessaire 1,55 Z Le graphite contenant 99 Z de C et compte-tenu d'un rendement de 99 Z, on ajoutera 1,58 % de graphite. On verse le mélange obtenu dans le conteneur d'une presse hydraulique avec laquelle on fabrique un lopin creux grâce à la présence d'un mandrin dans le conteneur. Le lopin obtenu par compactage sous une pression de 45 kg/mm2 a les dimensions suivantes - diamètre extérieur : 230 mm ; diamètre intérieur : 100 mm longueur 1.000 nii ; densité 5,8 ; poids du lopin 195 kg Ce lopin est introduit dans un four comportant une première zone de préchauffage qui l'amende en une heure à 5000 C et qui permet d'éliminer totalement le liant. Il est ensuite introduit dans la zone à grand feu qui le porte à 12500 en 1 heure 30, le temps de maintien au-dessus de 12000 étant de 30 minutes.Le four est balayé par un courant d'azote de telle sorte que les gaz sortant du four contiennent environ 40 Z de CO et 60 Z d'azote. Avant de sortir du four le lopin reçoit, à l'aide d'une cuillère qu'on renverse dans le trou, une certaine quantité de poudre de verre (verre à vitre). Il roule ensuite sur une table d'enverrage recouverte de poudre de verre. Le lopin se trouve ainsi protégé contre l'oxydation avant d'être introduit dans le conteneur d'une presse à filer où il est transformé en tube mé- canique ayant les dimensions suivantes - diamètre extérieur : 100 mm épaisseur : 6 mil Le tube obtenu a l'analyse suivante (en Z) C = 0,25 +0,03 S = 0,010 P = 0,008 Pb = 1 + 0,05 Ses performances d'usinabilité sont très supérieures à celles des tubes mécaniques courants en acier ordinaire qui ne contiennent pas de plomb. Exemple 2 On part d'un minerai australien d'hématite dont la maille de libération correspond à 150fi et dont l'analyse est (en Z) Fe203 = 94,7 Si02 = 3,2 CaO = 0,03 A1203 = 1,14 Ti02 = 0,015 MgO = 0,63 P = 0,019 Mn = 0,154 S = 0,042 Ce minerai après traitement au broyeur à boulets pour obtenir une granulométrie 50-150 est transformé en boulettes sur une assiette de bouletage. Ces boulettes sont traitées dans un four tournant travaillant à 10500 en utilisant un mélange à 80 % d'anthracite et 20 Z de lignite. On ajoute avec le réducteur 2 % de la charge en chaux (pour abaisser la teneur en soufre). Le minerai est réduit avec un taux de métallisation de 92 %. Les boulettes sont broyées à la granulométrie de départ (50-150p) et soumises à une séparation magnétique basse intensité à sec. On obtient un minerai dont l'analyse moyenne est la suivante (en %) : C = 0,32 Fe = 88,7 FeO = 10 Si02 = 0,24 A1203 = 0,15 MgO = 0,1 Mn = 0,21 S = 0,010 P = 0,027 On mélange cette poudre de façon homogène, dans un malaxeur, avec les additions suivantes (en % en poids du mélange) - un lubrifiant (stéarate organique) : 0,75 % - de la cendrée de plomb très fine (30-80p) : 0,97 % - de la poudre de NiO en quantité calculée pour apporter 2 % de Ni au métal - de la poudre de ferrochrome, de ferromciybdère et de forroranganèse en quantités calculées pour apporter respectivement : 0,5 @ de Cr, 0,5 % de Me et 0,25 % de Mn au métal - du graphite 0,68 %, calculé comme suit carbone souhaité dans l'acier @ x 0,973 0,98 v carbone présent 0,32 % carbone nécessaire 0,66 % soit, compte tenu des rendements (99 % de C dans le graphite, rendement C 99%) conduit à un graphite de 0,68 Ce mélange est compacté de manière à chtenir un lopin creux de mêmes dimensions que dans l'exemple précédent. Ce lopin est traité cens un four à resistances comportant deux zones de chauffages successives. Dans la première zone, le métal est porté en 1 heure à 600 C avec maintien de 30 minutes à cette température, la zone étant balayée à contre courant des lopins par un courant d'hydrogène en surpressio @ de 15 cm d'eau par rapport à la pression atmosphérique. Dans la seconde zone, te métal est porte a 1250 C pendant 30 minutes, la zone étant balayée par de l'azote avec une surpression de 30 Tn d'su par rapport a la pression atmosphériqu un sortant du four, le lopin est erobé de coudre de verre et reçoit und addition de poudre de verre à l'intérieur du trou. Il est ensuite filé comme dans l'exemple précédent. On obtient un tube en acier à roulement d'analyse (en %)@ C = 0,98 # 0,03 Mn = 0,24 # 0,03 Ni = 2 # 0,1 Cr = 0,47 + 0,03 Mo = 0,48 c 0,03 S = 0,010 P = 0,028 Pb = I c 0,05 REVENDICATIONS !O) Tubes sans soudure à hautes performances d'usinabilité en acier ordinaire ou allié, les éléments d'alliage appartenant au groupe constitué par Ni, Cu, Mo, W, Mn, Cr et ayant une teneur en plomb comprise entre 0,4 et 2 Z. 2 ) Tubes selon la revendication 1 en acier ordinaire ou allié comportant au moins un élément d'addition supplémentaire appartenant au groupe constitué par S, Se, Te, Sn, Zn, Bi en proportion totale inférieure à 1 Z. 33) Procédé de fabrication des tubes sans soudure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que : a) on prépare un minerai de fer concentré pré-réduit à teneur en oxydes non réductibles inférieure à 1 Z b) on effectue un mélange homogène de ce minerai en poudre avec de la poudre de plomb ou d'un composé de plomb de granulométrie inférieure ou égale à celle du minerai et en quantité correspondant à la teneur en plomb souhaitée pour l'acier, un lubrifiant, un réducteur carboné en poudre ou liquide et éventuellement un liant c) on compacte à la presse un lopin creux de ce mélange d) on porte dans un four le lopin compacté à une température comprise entre 1100 et 13500 sous courant de gaz neutre ou réducteur de manière à obtenir la réduction complète en un lopin d'acier poreux non oxydé e) on file le lopin sur une presse à filer en utilisant une technique connue de lubrification pour obtenir le tube désiré 4?) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on prépare un minerai de fer concentré pré-réduit à teneur en pxydes non réductibles inférieure à 1 % par a) broyage d'un minerai de fer enrichi de type courant à une granulométrie inférieure a la maille de libération b) pré-réduction du minerai sous forme de poudre ou de boulettes c) broyage de minerai pré-réduit à une granulométrie inférieure ou égale à celle du minerai avant pré-réduction d) enrichissement par séparation magnétique basse intensité 5 } Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le plomb est introduit sous forme de poudre d'oxyde de plomb. ") Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le plomb est introduit sous forme de poudre de sulfure de plomb. 7 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'on ajoute au mélange à compacter au moins un élément d'alliage appartenant au groupe constitué par Ni, Cu, Mo, W, Mn, Cr sous forme de poudres métalliques, d'oxydes métalliques ou de ferroalliages de granulométrie inférieure ou égale à celle du minerai, en quantité correspondant à l'analyse souhaitée de 1 ' acier. 8 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'on ajoute au mélange à compacter au moins un élément appartenant au groupe constitué par S, Se, Te, Sn, Zn, Bi sous forme de poudres de ces éle- ments ou de composés de ces éléments de granulométrie inférieure ou égale à celle du minerai, en quantité correspondant à l'analyse souhaitée de l'acier. 9 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le réducteur ajouté au mélange à compacter est du carbone en quantité correspondant à celle nécessaire a la réduction complète du mélange augmrn- tee de la teneur en carbone souhaitée dans l'acier, et diminuée du carbone contenu dans le minerai. 100) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on ajoute au mélange le seul carbone complémentaire à celui contenu dans le minerai pour obtenir la teneur désirée dans l'acier et que la réduction complète se fait par un gaz riche en hydrogène introduit en surpression, à contrecourant du lopin, dans une première zone du four de réduction entre 4000 et 7000 C.