Brevet FR2326472A1 — publié le 19770429

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un acier destiné à ttre laminé, présentant, à l'état laminé, une isotropie améliorée des caractéristiques mécaniques. Il faut noter que parmi les différents procédés de transformation à chaud de métaux et alliages, le laminage en produits plats confère au métal des propriétés dirigées : les caractéristiques mécaniques dn produit corroyé varient suivant l'orienta- tion des efforts par rapport à la direction dans laquelle s'est effectuée la déformation principale au cours du travail à chaud. Cette anisotropie des propriétés résulte en particulier des impuretés parmi lesquelles le soufre Joue un rôle prépondérant du fait de la formation d'inclusions de sulfures, très plastiques à chaud, qui s'allongent au cours du corroyage et forment des fibres. La présence de soufre, masse à faible teneur, a pour conséquence une diminution importante de la ductilité lorsque les efforts sont exercés transversalement aux fibres du métal laminé. Dans le cas du laminage en produits longs à symétrie axiale(carrés, ronds), les sulfures prennent la forme d'elle soldes à section droite circulaire t les caractéristiques mécaniques ont des valeurs différentes suivant deux orientations principales X'X (long) Y'Y (travers) résultant du corroyage unidirectionnel suivant la direction X > X. Dans le cas du laminage en produites plats(larges-plats et toles), les sulfures prennent la forme d'ellipsordes à section droite très déformée dans la direction Y'Y par l'effet d'élargissement dt à ce mode de transformation à chaud.Ils se présentent alors sous la forme de plaquettes qui réduisent considérablement les propriétés lorsque les efforts sont exercés perpendiculairement à la surface de la tble (arrachement lamel laird) Les caractéristiques mécaniques sont très anisotropes t eLles prennent des valeurs différentes suivant trois directions principales du produit : longitudinalement (direction x'x), transversalement suivant la largeur de la tôle, caest-à-dire en travers (direction Y'Y), ou encore transversalement suivant l'épaisseur de la tôle, c'est-à-dire en travers-courtW (direction Zou), L'utilisateur se trouve souvent confronté aux inconvénients de cette anisotropie soit lors de la mise en forme à froid du maté riau soit lors de son utilisation, lorsque les contraintes et les déformations appliquées ne sont pas parallèles au sens des fibres. La présente invention concerne donc un procédé de fabrication d'un acier destiné à & re laminé contenant du soufre sous forme d'inclusions telles que du sulfure de manganèse, ce soufre étant présent naturellement (soufre résiduel des aciers ayant subi un affinage normal, c > est-à- dire ayant, d'après la norme AENOR, une teneur en soufre inférieure ou égale à 0,035% en poids), ou ayant été introduit de façon volontaire (soufre ajouté dans le cas d'acier à usinabilité améliorée). La présente invention a également pour objet un nouvel acier présentant à l'état laminé une isotropie améliorée des caractéristiques mécaniques, cet acier pouvant notamment etre obtenu par le procédé précité. Divers procédés sont déjà utilisés en vue de réduire l'anisotropie des caractéristiques mécaniques due à la présence de ces inclusions t Le moyen le plus classique consiste à appliquer une désulfuration poussée lors de l'élaboration de la fonte et de l'acier. Cependant, les techniques de désulfuration n'ont pas connu un développement semblable à celui des techniques de conversion à l'oxygène par exemple, et l'on peut se demander si les procédés utilisés actuellement, étant donnée la recherche impérieuse de teneurs en soufre de plus en plus basses, pourront encore suffire dans l'avenir. D'autre part, ces procédés d'application délicate en aciéries (utilisation d'un laitier réducteur, pollution par dégagement de produits volatils, rendement aléatoire) n'apportent pas toujours l'amélioration escomptée.La désulfuration poussée s'accompa- gne d'une modification de l'ensemble des inclusions non métalliques qui ntest pas toujours favorable aux propriétés recherchées : de plus, les phénomènes de ségrégation des sulfures font que la teneur globale en soufre n'est pas un critère de qualité suffisant. Un autre moyen connu et employé depuis quelques années consiste à réduire la plasticité des sulfures, donc leur tendance à constituer des fibres, en modifiant leur composition par des éléments métalliques Me susceptibles de se substituer au manganèse dans le sulfure de manganèse MnS. On obtient alors des sulfures (Mn, Me) S moins déformables que MnS. Dans cette catégorie, on trouve le zirconium, le titane, le cérium, le calcium, le magnésium ... zr et Ti forment des sulfures stables peu déformables, mais leur grande affinité pour l'oxygène et l'azote implique une désoxydation et une dénitruration complètes avant 1'addition. La désoxydation, la dénitruration et l'affinage du grain s' effectuent habituellement par addition d' aluminium dans des conditions telles que la dénitruration consiste en fait en une transformation de l'azote libre en nitrures d'aluminium stables qui sont éliminés au moins en grande partie du baiz Si Zr et/ou Ti sont ajoutés lorsque cette méthode de dénitruration a été appliquée, les nitrures d aluminium résiduels sont transformés en nitrures de zr ou de Ti. I1 en résulte que, du fait de la disparition des nitrures d'aluminium nécessaires à l'affinage du grain, celui-ci ne se produit pas et que le Zr et/ou le Ti combiné à l'azote n'est plus disponible pour se combiner au soufre, ce qui va à l'encontre des buts recherchés. Le Ce permet de réduire la teneur en soufre et d'obtenir une certaine globularisation des sulfures. Cependant, sa grande affinité pour l'oxygène conduit à des résultats assez variables suivant l'état de désoxydation du bain et le mode d'addition. Mg et Ca forment des sulfures stables à haut point de fusion avec une faible affinité pour le carbone et l'azote ils n'ont donc pas les mimes inconvénients que Ti et Zr sur la taille du grain. Ils permettent aussi une certaine désulfuration. Cependant, et hormis leur affinité pour l'oxygène, le Mg est volatil, alors que le Ca a une faible solubilité dans l'acier liquide à la pression atmosphérique la méthode d'introduction est délicate et d'un rendement aléatoire. Des considérations techniques ou économiques excluent pratiquement l'emploi d'autres éléments de substitution du Mn que ceux cités précédemment. Ainsi, on voit que l'inconvénient majeur de ces procédés est que leur efficacité dépend à la fois de la méthode d'introduction de l'élément dans le bain d'acier liquide et de l'état d'oxydation de celui-ci au moment de l'addition. On connait également un autre principe utilisé dans le cas des aciers au soufre ayant une aptitude à l'usinage améliorée, et qui consiste à former des sulfures substitués du type Mn (S,X). Au lieu de remplacer Mn par un autre métal, on recherche ici l'addition d'un élément capable de se substituer au soufre. Dans cette catégorie , on trouve tous les éléments de la même famile : oxygène, sélénium, tellure. L'action recherchée jusqu a présent par ces additions combinées telles que S + Se ou S + Te est d'accroître l'aptitude à l'usinage des aciers. Lobjet de la présente invention est essentiellement nouveau, en ce que le procédé consiste à contrôler la morphologie des inclusions du type "sulfures", par globularisation desdits sulfures en ajoutant à l'acier dans des proportions déterminées un élément choisi dans la famille du soufre, tel que le sélénium ou le tellure, et capable de se substituer au moins partiellement au soufre des inclusions de sulfures. Parmi les trois éléments cités (O,Se, Te) l'oxygène n'est pas d'un emploi facile. En effet , le maintien d'un niveau donné en oxygène dans le bain d'acier liquide est particulièrement délicat non seulement pour la mesure et le contrôle de sa teneur, mais aussi pour les difficultés de désoxydation et de calmage qu'il risque d'entrainer . De plus, un tel procédé n'est évidemment pas applicable pour les aciers calmés ou surcalmés par exemple au silicium-aluminium qui, par définition , ne contiennent qu'une très faible teneur en oxygène résiduel. Le sélénium forme avec MnS une solution solide complète du type Mn (S, Se). Mais, selon une caractéristique de la présente invention, pour réduire suffisamment la déformai lité du sulfure et atteindre une globularisation sensible, de façon optimale, le rapport pondéral Se oit être voisin de S l'unité. Selon un mode de réalisation préféré, ce rapport pondéral sera compris entre 0,75 et 1,25 de préférence entre 0,9 et 1,1. Dans un acier contenant par exemple S = 0,020% il faut ajouter sensiblement Se = 0,020%. Compte tenu de la masse atomique du soufre (32) et de celle du sélénium (79), cela revient à augmenter la fraction volumique des inclusions de 1sulfures" d'environ 40%, ce qui semble aller à l'encontre du but recherché puisque l'accroSssemeat de la quantité d'inclusions réduit fortement la ductilité transversale du métal, et par conséquent atténue 1' effet bénéfique de la globularisation. En fait, il est possible d'effectuer, dans ce cas, conformément à l'invention, une désulfuration partielle de l'acier, ne présentant pas les inconvénients d'une désulù- ration poussée, avant 1 'addition éventuelle de sélénium, de façon à obtenir une fraction volumique finale acceptable des inclusions de sulfures de sorte que l'inconvénient précité n' est qu'apparent. Selon un autre mode de réalisation préféré de la présente invention, le procédé utilise plusieurs propriétés remarquables du tellure qui ont été mises en évidence par la demanderesse, et qui sont précisées ci-après 1. La limite de solubilité du tellure dans MnS est faible, de 6 à 7%. 2. A cette teneur, la présence de tellure en solution solide réduit considérablement la déformabilité du sulfure. 3. L'effet optimal de globularisation a été observé dans des inclusions ayant un rapport Te égal à 0,2. Or, le S tellure introduit dans l'acier de la présente invention se répartit statistiquement de façon inégale entre les inclusions. Compte tenu de l'hétérogénéité de cette répartition, et dru fait de la formation défavorable de queues de tellurures de part et d'autre des globules dans lesquels le rapport Te serait trop largement supérieur à 0,2, l'effet maximal S global de globularisation du sulfure se présente pour un rapport pondéral Te voisin de 0,15 à S l'échelle de l'ensemble de l'acier traité. 4. Compte tenu de la faible valeur du rapport pondéral Te et de la masse atomique élevée du tellure (128), l'addi S tion de cet élément ne modifie pas sensiblement la fraction volumique des inclusions de sulfures. En conséquence, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, le rapport pondéral Te sera S choisi dans un intervalle de 0,05 à 0,25, notamment voisin de 0,15 et de préférence dans l'intervalle de 0,10 - 0, 18. De plus, par rapport aux autres procédés décrits précédemment et développés pour le contrôle de la morphologie des sulfures, la méthode présente un grand nombre d'avantages: 1) Le tellure se combine directement aux sulfures sans fixer préférentiellement l'oxygène comme le titane, le zirconium, le cérium ... Il ne perturbe pas le mode de formation et la nature des inclusions autres que les sulfures. 2) Compte tenu du 1), le procédé peut donc etre utilisé indépendamment des autres conditions d'élaboration de l'acier, notamment de sa désoxydation 3) I1 pourra étre appliqué aussi bien aux aciers effervescents ou semi-calmés qu'aux aciers calmés au silicium, aluminium, ... 4) Le tellure ne fixe pas l'azote et le carbone. Il n'a aucune action défavorable sur la taille du grain, donc sur les autres propriétés mécaniques, telles que la limite d'élasticité oa la résilience. Enfin, on peut noter que l'introduction du tellure peut store particulièrement avantageuse du point de vue économique dans le cas des aciers ne présentant pas une usinabilité améliorée (teneur en soufre avant le traitement de l'invention inférieure ou égale à 0,035% en poids), puisqu'il peut être possible en particulier d'appliquer à ces aciers le traitement indiqué sans procéder à aucune désulfuration préalable, tout en conservant une fraction volumique finale appropriée des inclusions. L'invention sera mieux comprise et ses objectifs ainsi- que d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif :: - les figures la, lb, lc, représentent des vues en perspective de plaques d'acier laminé ; - les figures 2a et 2b sont des photographies montrant la configuration des sulfures après laminage des lingots dans le cas d'un acier non inoculé, et dans le cas d'un acier inoculé t - les figures 3a et 3b sont des photogrqphies dsséprouvet- tes prélevées dans des produits laminés respectivement non traités et traités par le procédé de l'invention, sur lesquelles a été effectué un essai de ductilité t - les figures 4a et 4b sont des photographies représentant des pièces d'acier respectivement non traité et traité par le procédé de l'invention, sur lesquelles a été pratiqué un essai d'emboutissage ;; - les figures 5a et 5b représentent des pièces d'acier respectivement non traité et traité par le procédé selon la présente invention, sur lesquelles a été pratiqué un essai d'évasement - les figures 6a et 6b représentent des tbles d'acier respectivement non traité et traité par le procédé de 1ainvention, qui ont été soumises à un essai technologique décrit plus loin et utilisé comme contrôle de qualité ; - les figures 7a et 7b sont des microphotographies représentant la structure de plaques d'acier respectivement non traité et traité par le procédé de la présente invention. ta figure la représente une plaque d'acier sur laquelle ont été représentés les trois axes principaux du produit selon lesquels les caractéristiques mécaniques vont être testées - en "long" suivant la direction X'X. - en "travers" suivant la direction Y'Y. - en "travers court" suivant la direction Z'Z. La figure lb représente une plaque d'acier non traité 1 dont les bords 2 et 3 ont été recourbés suivant l'axe Y'Y. Des cassures 4 et 5 apparaissent sur le bord externe inférieur des courbures pratiquées dans 11 acier. La déformation appliquée dans le cas de la figure lb à une plaque d'acier peut être obtenue par formage à froid du matériau elle montre l'inconvénient de l'emploi d'un acier non traité par le procédé de l'invention, lorsque les contraintes appliquées ne sont pas parallèles au sens des fibres. La figure lc représente une vue en perspective d'un assemblage soudé de deux plaques d'acier 6 et 7, où les contraintes suivant l'axe Z'Z (travers court) peuvent entrainer une décohésion dans l'épaisseur de la plaque 7, dans le cas où celle-ci est constituée d'un acier non traité parla présente irìvertion, par formation de fissures 8 dans la zone à proximité de la soudure. Les figures suivantes seront mieux comprises à l'aide des exemples d'application donnés ci-dessous, qui illustrent mais ne limitent pas la présente invention EXEMPLE 1 Cas d'acier à haute limite élastique soudable E 36 I.1. Application du procédé et confizuration inclusionnaire sur produits laminés L'élaboration a été réalisée au CREUSET LD, à partir de fonte hématite, la coulée ayant la composition suivante ( en poids) C Mn Si P S A1 0,I7 1,22 0,19 0,012 0,022 0,08 La teneur en soufre correspond à celle de l'élaboration standard, sans désulfuration complémentaire. L'inoculation en tellure a été effectuée à raison de 20g/tonne lors de la coulée en lingotière (en chute ou en source). tes figures 2a et 2b montrent la configuration des sulfures après laminage des lingots non inoculés (figure 2a - sulfures filiformes) et inoculés (figure 2b - sulfures globulaires). Le taux de corroyage des produits laminés est de 1 ' ordre de 50. I.2. Caractéristiques mécaniques sur produits laminés (large-plats 400 x 12 mm) T A B L E A U 1 limite charge de allonge Stric- Résilient Prélèvement élastique rupture ment tion ce Re Rm A% Z% KcU + 20 N/mm N/mm daJ/cm ACier de référence Long X'X 360 530 43 78 13,7 Travers Y'Y 365 535 35 61 6,3 Travers court Z'Z (1) 480 6,2 Acier de l'invention Long XIX 360 530 40 79 16,2 Travers Y'Y 360 530 38 74 11,8 Travers court Z'Z (1) 535 33 53 (1) non significatif sur éprouvette travers court. L'examen du tableau 1 permet de comparer les caractéristiques mécaniques suivant les trois directions principales par rapport au sens du laminage, des produits issus de la coulée d'élaboration standard et de ceux provenant des lingots inoculés. On notera que le procédé n'influe ni sur les caractéristiques de résistance (Re -Rm) suivant les trois directions, ni sur la ductilité (A,Z) ou la résilience (K) dans la direction de laminage (X'X). Par contre, le procédé permet d'améliorer très sensiblement les propriétés de ductilité et de résilience dans les deux directions perpendiculaires au sens du laminage (Y'Y et Z'Z). L'effet est particulièrement marqué suivant le "travers court" (Z'Z) pour lequel l'allongement A est multiplié par 5 et la striction Z a plus que triplé (figure 3a et 3b). Rappelons que ces propriétés sont déterminantes dans la tenue en service des assemblages soudés de tales de fortes épaisseurs. I.3. Formage à froid L'essai d'emboutissage présenté sur les figures 4a et 4bide la planche III, soumet le métal à des déformations multi-axiales, mettant ainsi en jeu les niveaux de ductilité en long (X'X) et travers (Y'Y). Le métal de référence (élaboration standard) (figure 4a) crique suivant les alignements de sulfures filiformes qui constituent des plans de faible cohésion. Le métal inoculé (élaboration suivant l'lnvention (figure 4b) se met en forme sans crique ni gerçure. EXEMPLE 2. Cas d'un acier destiné à la déformation à froid XC 28 il s'agit d'une nuance d'acier ayant la composition ci-après, dont une partie de la coulée a été élaborée suivant le procédé. Composition chimique (% en poids C Mn Si P S Al 0,27 0,59 0,13 0,018 0,006 0,05 Cet exemple a été choisi pour montrer l'intérêt duPprocédé même pour de très faibles teneurs en soufre ; dans le cas présent S = 0,006. Les caractéristiques mécaniques suivant le "travers court" (axe Z'Z) sont mentionnées dans le tableau II (plats 160 x 13 mm) 'TABLEAU 2 Rm Prélèvement N:mm2 A % Z % Travers court acier de référence acier de l'invention 505 41 62 Malgré la faible teneur en soufre, on notera que 1'applica- tion du procédé permet d'améliorer très nettement la ductilité dans le sens "travers court", sans modifier les caractéristiques de résistance.Il en résulte un accroissement notable de la capacité de déformation plastique transversale, comme celle imposée par une expansion lors d'un essai d'évasement, amélioration représentée par comparaison des figures 5a (acier de référence) et 5b (acier selon l'invention), et le tableau III. T A B L E A U III Prélèvement variation variation de Observations du diamètre la hauteur # en % en % acier de référence 25 5 sans déformation au niveau de la fissure acier du procédé 60 25 avec déformation au niveau de la fissure Dans la suite de la présente description, on désignera le diamètre par La ductilité transversale est mesurée ici par la variation pourcentuelle du diamètre de la pièce à l'apparition de la première crique. EXEMPLE 3. Cas d'un acier traité à haute résistance, Y 55 S 7 le procédé a été appliqué sur une partie de la coulée, dont la composition chimique est donnée ci-après ( en poids) C Mn Si P S Gr 0,56 0,82 1,76 0,014 0,024 0,19 Après transformation à chaud par laminage en tôles d'épaisseurs 5-à 7 mm, cette nuance d'acier a été traitée par trempe d'huile et revenu pour une résistance R = 1500 N/mm2. Btanisotropie des caractérietiques sur tôles est mise en évi pence par l'essai technologlque suivant, utilisé comme contrôle de qualité, et illustré par les figures 6 et 7. Une plaque de 170 x 170 mm comporte en son centre un trou 12,7 mm, dans lequel une bille 25,4 mm est forcée ; le centre de la tôle repose sur un support tubulaire de diamètre intérieur 76,4 mm. Un tel essai sollicite la tôle suivant toutes les directioo- a- diales qui passent par le centre du trou, avec des contraintes équivalentes. Lorsque les propriétés directionnelles engendrées par le laminage sont trop accusées, la plaque d'essai éclate en dieux parties pratiquement sans déformation, suivant un plan parallèle à la direction de laminage. C'est le cas, ici, de la tôle issue de la coulée d'élaboration standard (plancheilL figure 6a). L'examen microfractographique met en évidence ladécohésion spontanée résultant des sulfures allongés (planche IV- figure 7a). Sur la tôle issue de la fraction de coulée élaborée suivant le procédé, la bille traverse l'orifice en déformant le métal (planche IIW figure 6b). Quelques criques s'amorcent, mais ne se propagent pas, phénomène très caractéristique d'une grande ductilité et d'une excellente isotropie des propriétés de l'acier (plan cheW- figure 7b). Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont réalisées suivant son esprit et mises en ceuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un acier destiné à être laminé, présentant, à l'état laminé, une isotropie améliorée des caractéristiques mécaniques, cet acier contenant du soufre sous forme d'inclusions telles que du sulfure de manganèse, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler la morphologie desdites inclusions par globularisation des sulfures en ajoutant à l'acier dans des proportions déterminées un élément choisi dans la famille du soufre, tel que sélénium ou tellure, et capable de se substituer au moins partiellement au soufre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément choisi dans la famille du soufre est le sélénium. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce Se que le rapport pondéral Se est choisi dans un intervalle de 0,75 à 1,25, de préférence entre 0,9 et 1,1, en particulier égal à l, la teneur en soufre dans ledit rapport Se étant étant celle de l'acier au moment de l'addition de sélénium. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu' on effectue, avant addition du sélénium, un traitement de désulfuration partielle de l'acier. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément choisi dans la famille du soufre est le tellure. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce Te que le rapport pondéral Tse est choisi dans un intervalle de 0,05 à 0,25, et de préférence entre 0,10 et 0,18, en particulier égal à 0,15. 7. Procédé selon 1'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la teneur en soufre initiale de l'acier avant l'addition de tellure est inférieure ou égale à 0,035 en poids. 8. Acier présentant, à l'état laminé, une isotropie méliorée des caractéristiques mécaniques , cet acier contenant du soufre sous forme d'inclusions telles que du sulfure de manganèse, cet acier étant caractérisé en ce que lesdites inclusions ont une morphologie spécifique caractérisée par la présence de globules, ledit acier contenant des proportions déterminées d'un élément choisi dans la famille du soufre, tel que le sélénium ou le tellure. 9. Acier selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément précité, de la famille du soufre, est le sélénium. 10. Acier selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport pondéral Se est compris entre 0,75 et 1, 25, S de préférence entre 0,9 et 1, 1, et est en particulier égal à 1. 11. Acier selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément précité, de la famille du soufre, est le tellure. 12. Acier selon la revendication 11, caractérisé en Te ce que le rapport pondéral Tse est compris entre 0,05 et 0,25, de préférence entre O, 10 et 0,18, et en particulier égal à 0,15. 13. Acier selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que sa teneur en soufre est au plus égale à 0,035% en poids. 14. Aciers obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.