Brevet FR2388620A1 — publié le 19781124

La présente invention concerne la préparation de grenaille et de grains d'acier. La fabrication de la grenaille et des grains acier a été réalisée jusqu'à présent de façon normalisée, dans l'industrie des abrasifs acier et la grenaille et les grains d'acier sont vendus en référence aux normes de the Society of Automotive Engineers (sAE) ou de the Steel Founders Society of America (SFSA). La spécification SFSA des abrasifs d'acier coulé porte la désignation 20T-66 et on l'utilise beaucoup. Elle fixe des critères techniques, concerne notamment la composition chimique, la microstructure, l'aspect et la dureté. Le procédé de fabrication comprend essentiellement la charge, la fusion, l'affinage et la coulée, celle-ci étant réalisée par direction de l'acier fondu et affiné dans un courant d'eau sous pression et dans un bain d'eau de trempe. La grenaille brute de coulée, après séchage, est mise dans un four de trempe qui est de façon classique une enceinte rotative qui tourne constamment et comprend une série de brflleurs à gaz qui règlent la température. Après passage dans une cuve de trempe suivant le four et une nouvelle opération de séchage, consommant du gaz naturel, la grenaille durcie subit une opération de revenu qui donne la grenaille martensitique trempée ou elle subit une opération d-e broyage donnant les grains d'acier.La grenaille martensitique revenue a finalement une dureté qui est d'environ 40 à 50 sur -l'échelle Rockwell C. Etant donné la récente crise de l2énergie" et la réduction d'allocation de gaz naturel aux utilisateurs industriels, on a tenté de réduire la consommation du gaz naturel dans les procédés de fabrication des abrasifs d'acier et, à cet effet, on a tenté-de régler soigneusement la quantité de carbone et on a ajouté du bore. On sait que les additions de bore améliorent en général les propriétés de trempe de l'acier, et le phénomène est décrit dans la publication "Foote Notes on steel Number 2", Information of interest to the steel industry, Foote Mineral Company, Exton, Pa. 19341. Ce phénomène est aussi discuté dans l'ouvrage the Metals Handbook, vol. 1, 8ème édition (ASM) et en particulier 'section for Hardenability", page 189 sq et figures 1, 6(b) et 13.Cependant, les metallurgistes ont considéré en général que l'addition de bore provoquait la formation dzune dimension granulaire importante et on ne savait pas si celle-ci pou vait setre réglée dans les abrasifs d'acier. D t autre pro- blèmes posés par l'addition du bore aux coulées de grenaille d'acier concernent les critères d'aspect interne et externe de la grenaille selon la norme SFSA 20T-66 qui limite la quantité permise de cavités, de retrait et de fissures. L'invention repose sur un travail qui comprend de nombreuses coulées ayant divers pourcentages pondéraux de carbone et diverses additions de ferro-bore, avec des coulées ne contenant pas de bore.Les coulées étaient de 7 t environ et étaient formées à l'aide d'un four à chauffage direct par un arc électrique de 3500 kVA "Whiting" de 2,7 m, dans des conditions toujours identiques. L'invention concerne plus précisément un procédé de formation de grenaille d'acier brute de coulée ayant une structure pratiquement totalement martensitique et correspondant à la dureté complète de cette structure, si bien qu'une étape intermédiaire de traitement thermique utilisée pour le durcissement de la grenaille d1acier ayant une structure martensitique formée par revenu ou lors du traitement des grains d'acier, est éliminée. Les étapes intermédiaires normales du traitement thermique nécessaires au durcissement puis au séchage sont des opérations qui consomment normalement du gaz naturel et qui sont réalisées dans des fours séparés, et ces opérations sont supprimées selon l'invention.Le procédé selon ltinvention permet la formation de grenaille d'acier brut de coulée ayant une structure pratiquement entièrement martensitique et ayant une dureté complète correspondante, c'est-à-dire une dureté depassant 65 sur l'échelle Rockwell C. En outre, dans les plages de duretés élevées, c'est-à-dire supérieures ou égales à 62, on note une augmentation de dureté de deux points environ sur l'échelle Rc pour un pourcentage pondéral donné de carbone lorsque la quantité de bore présent est comprise entre environ 0,0001 et 0,01 %. On prépare les grains acier par broyage de la grenaille ayant de préférence une dureté plus proche de 67 que de 65 sur l'échelle Rockwell C. Cette augmentation de deux points environ de la dureté obtenue par addition de bore à l'acier simplifie beaucoup la fabrication des grains car, meme pour la grenaille destinée à former la matière première de cette opération, le four de trempe et de séchage peut être éliminé et la grenaille brute de coulée peut wetre efficacement utilisée pour le broyage. Le procédé donnant ces résultats avantageux et permettant l'obtention de grenaille d'acier brute de coulée ayant une structure pratiquement entièrement martensitique et ayant la dureté complète correspondantfl comprend des étapes de chargement, de fusion, d'affinage et de coulée. Cette dernière est réalisée par direction diun courant d'acier fondu affiné dans un courant de fluide sous pression et dans un bain fluide de trempe.La grenaille d'acier formée contient 0,6 à 1,2 % en poids de carbone, 0,50 à 2,26 % en poids de manganèse, 0,3 à 1,80 46 en poids de silicium, 0,0 à 0,1 % en poids de soufre, 0,0 à 0,1 ffi en poids de phosphore, 0,0 à 0,01 96 en poids de bore et le reste étant pratiquement formé uniquement d'acier, de traces éléments et d'impuretés habituellement présentes.Le bore, lorsqu'il est présent, est le résultat d'une addition d'alliage formé par du ferrobore dans le métal fondu. Le ferro-bore d'alliage contient nominalement 18 96 en poids de bore et 82 % en poids de fer et dtimpuretés. Usautres caractéristiques et avantages de ltinven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique est un schéma d'un appareil destiné à la mise en oeuvre des étapes de fusion,-d'affinage et de coulée. Le procédé selon l'invention est destiné à la formation de grenaille d'acier brute de coulée et d'applications très diverses, ayant une structure pratiquement totalement martensitique et ayant la dureté complète correspondante, ce procédé supprimant une étape intermédiaire de traitement thermique utilisée normalement pour la trempe de la grenaille d'acier ayant une structure martensitique revenue ou pour la formation de grains d'acier. L'expression structure prati queza5t entièrement martensitique" indique la présence de 94 à 10O % de martensite, avec des quantités acceptables de bainite, comme indiqué dans la norme SFSA précitée 20T-66. L'expression "dureté complète" désigne une dureté d'au moins 65 sur l'échelle Rockwell C (Rc). Le terme dureté désigne la résistance de la matière à la déformation plastique par formation d'empreintes. Toutes les valeurs de dureté sont mesurées avec une machine "Tukont', avec une charge dressai de 1000 g et une pyramide de diamant ayant un angle au sommet de 1360. L'expression "aptitude à la trempe désigne la propriété qui détermine les profondeurs et les répartitions des duretés qui peuvent wetre obtenues par trempe.On note que, selon le procédé de l'invention de préparation de gre naille coulée d'applications diverses, le bore améliore l'aptitude à la trempe notamment pour les pourcentages pondéraux-de carbone compris dans la plage avantageuse de 0,68 à 1,06 %. En outre, pour une dureté supérieure à Rc = 62, le bore accrott la dureté d'environ deux points par rapport à la grenaille d'acier coulée correspondante ne contenant pas de bore.En conséquence, l'invention permet la préparation de grenaille d'acier et de grains correspondant aux critères industriels sans consommation de gaz dans des opérations intermédiaires de trempe et de séchage degrenaille, nécessaires jusqu'à présent; Etant donné l'augmentation de la dureté dans la plage élevée de duretés, le procédé permet la formation d'une grenaille suffisamment dure, sans trempe et séchage séparés, pour quelle puisse sistre vraiment broyée sous forme de grains d'acier correspondant aux normes industrielles. Dans les nombreuses coulées contenant du bore et dans de nombreuses coulées ne contenant pas de bore réalisées dans le cadre de l'invention, on constate que les coulées contenant du bore ont une teneur en carbone comprise entre environ 1,45 et 0,68 % en poids, la dureté obtenue avec ces coulées étant comprise entre environ 56,8 et 67,2 Rc. Dans ces coulées, la quantité de bore est comprise entre 0,0003 et 0,010 % en poids. Lorsque les échantillons sont prélevés 2 min après l'addition, la concentration du bore est comprise entre 0,0003 et 0,009 alors que, lorsque les échantillons sont prélevés jusqu'a 25 min après l'addition, la concentration du bore est comprise entre 0,0008 et 0,010. Le procédé d'alliage de bore selon llinvention permet lSob- tention, pour la grenaille coulée, d'une dureté correspondant à la plage de duretés complètes comprise entre plus de 65 et plus de 67 sur l'échelle Rockwell C, dans 95 /Oo environ des coulées dans lesquelles la quantité de carbone de l'acier est comprise dans la plage avantageuse allant de 0,68 et 7,06 . Les exemples de grenaille coulée ayant une dureté plus faible, obtenue dans des coulées contenant du bore, correspondent à une teneur anormalement élevée en carbone ou à une pression élevée de liteau dans les opérations de moulage et de coulée. On constate que le bore a probablsment une limite de solubilité dans l'acier de 0,001Z % et les additions audelà de cette valeur sont superflues. Cependant, on peut utiliser de façon satisfaisante des additions pouvant atteindre 0,010 , observées sur des échantillons de laboratoire prélevés jusqu'à 25 min après l'addition. L'une des caractéristiques importantes et surprenantes est que la dimension des grains n'a pas tendance à augmenter après addition du bore mais reste comprise dans la plage dont la valeur inférieure est limitée par 7. En outre, on note que, pour les duretés élevées, une addition de bore a un effet sur la dureté et sur l'aptitude à la trempe qui peut atteindre deux points sur l'échelle Rockwell C.L'expression "dureté élevée" s'applique à une valeur Rockwell C supérieure ou égale à 62. En outre, un second effet de durcissement, suivant l'addition de bore, peut être obtenu par ltopération de revenu, mais ces effet provoque une augmentation de la dureté après revenu d'une valeur aussi faible que 38 à 40 à une valeur pouvant atteindre 48 à 50. La raison de l'importance de ce phénomène est que les caractéristiques nécessaires pour de la grenaille d'acier coulée, c'est-à-dire la dureté, la microstructure, la composition chimique, l'aspect (interne et externe), et la durée avant rupture dépendent toutes, au moins dans une certaine mesure, de ltaptitude à- la trempe et de la dureté. Lorsquela concentration du carbone est convenablement réglée, notamment dans la plage comprise entre environ 0,68 et 1,6 46 en poids, et lorsque la pression de l'eau est aussi réglée lors de la coulée, on constate que la grenaille d'acier contenant du bore peut satisfaire de façon satisfaisante aux critères des normes sans traitement dans un four de trempe si bien qu'une structure pratiquement entièrement martensitique, correspondant à une dureté Rockwell C supérieure à 65 à 67, peut & re obtenue avec une certitude de 95 %. Cette conclusion repose sur de nombreuses coulées de 7 t préparées dans le four précité "Whitingtt de 3500 kVA et 2,7 m. Le tableau I correspond à des coulées dans lesquelles on a ajouté du bore et dans lesquelles les pourcentages pondéraux approximatifs du carbone sont maximaux et minimaux, le tableau comprenant aussi des coulées-représentatives comprises dans la plage intermédiaire. TABLEAU I Coulées contenant du bore (Eléments en % pondéraux) C Mn Si S Rc B 2 2 min jusqu'a 25 min 1,45 0,73 1,23 0,066 58,9 0,0007 0,005 1,14 0,68 1,82 0,067 66,5 0,0005 0,002 1,05 0,91 0,99 0,037 67,2 0,001 0,003 1,03 0,79 0,78 0,049 66,6 0,009 0,010 0,98 0,63 1,31 0,070 66,2 0,0003 0,003 0,68 0,54 1,36 0,054 66,5 0,001 0,001 Le tableau II correspond à des coulées ne contenant pas de bore et indique les coulées ayant les pourcentages pondéraux de carbone maximaux et minimaux ainsi que des coulées représentatives comprises dans la plage intermédiaire. TABLEAU Il Coulées ne contenant pas de bore (Eléments en % pondéraux) C Mn Si S Rc B 2 ~~ ~~ 2 min jusqu'a 25 min 1,37 1,15 1,38 0,061 56,6 0,0 0,0 1,14 1,05 1,30 0,065 61,3 0,0 0,0 1,02 1,06 1,33 - 66,0 0,0 0,0 0,98 0,90 1,12 - 64,9 0,0 0,0 0,82 2,26 1 54 0,033 65,6 0,0 0,0 0,81 0,74 0,84 0,044 66,8 0,0 0,0 Il faut noter que le tableau I représente les coulées contenant les concentrations extrêmes de carbone et des coulées intermédiaires choisies, l'ensemble correspondant à plus de 60 coulées réalisées dans des conditions réelles de production de grenaille. De manière analogue, le tableau II correspond à des coulées ayant des valeurs extrêmes de carbone et des valeurs intermédiaires choisies, parmi de nombreuses coulées réellement réalisées dans des conditions de production de grenaille. Des essais normalisés de détermination de la durée industrielle indiquent que la grenaille obtenue avec les coulées contenant du bore a une durée au moins égale à celle des coulées analogues ne contenant pas de bore. En outre, lorsqu'on compare le produit contenant du bore à celui qui n'en contient pas, on ne note pas d'effet nuisible des paramètres normaux de fabrication tels que le temps de cou lés et la pression dteau au niveau de la buse. En-outre, le pourcentage de particules creuses ou déformées est du meme ordre de grandeur que celui de la grenaille normale ne contenant pas de bore.De plus, il n'apparat pas de grossissement des grains, comme on pourrait le prévoir d'après l'ekpérience des métallurgistes qui ont ajouté du bore pour améliorer l'aptitude à la trempe des tales d'acier. Ainsi, on note que l'addition de bore assure l'ob- tention d'une structure pratiquement entièrement martensitique malgré une concentration de carbone supérieure aux valeurs de la plage la plus avantageuse et que les opérations de séchage et de durcissement dans un four consommant du gaz, normalement utilisées pour la production de grenaille d'acier satisfaisant aux normes industrielles telles que SFSA 20T-66 peuvent être éliminées en pratique. Le procédé de préparation de grenaille d1acier a été décrit avec des étapes de chargement, de fusion, d'affinage et de coulée. La figure unique représente l'appareil utilisé au cours de ces opérations, de manière schématique. La référence 10 désigne un four à arc ou une poche contenant de l'acier fondu. La référence 12 désigne une rigole qui transmet le métal fondu à un panier de coulée ou pot doseur 14. Le panier 14 a un orifice inférieur 16 qui transmet un courant 18 de métal. Une buse 20 dirige un courant de fluide, habituellement d'eau, à une pression de l'ordre de 0,7 à 2,5 bars, de préférence dans la partie inférieure de la plage indiquée, car la grenaille destinée au bain de trempe a alors un trajet plus direct si bien que la trempe est plus rapide. La buse 20 forme un courant d'eau 22 que viennent frapper les particules de grenaille 24 qui tombent alors dans une cuve 26 d'eau. La grenaille brute de coulée est alors retirée de la cuve 26 et mise directement dans un four de revenu ou elle subit une opération de broyage, possible directement dans le cadre de l'invention. Le cas échéant, le bore est ajouté à l'acier vers la fin des opérations de fusion et d'affinage. La présence de quantités spécifiées de silicium est telle que la coulée est calmée à ce moment. Du ferro-bore ayant une- composition nominale comprenant 18 % de bore et 82 % de fer et d'impuretés par exemple, peut sistre utilisé dans le métal fondu juste avant la coulée à partir du four ou juste après celle-ci, dans le cas où elle est réalisée dans une poche. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de grenaille d'acier coulée ayant une microstructure pratiquement entièrement formée de martensite, revenue afin que la dureté soit comprise entre environ 40 et 50 sur l'échelle Rockwell C, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de chargement, de fusion, d'affinage, de coulée et de revenu, la coulée étant réalisée par direction dtun courant acier fondu et affiné dans un courant de fluide sous pression et dans un bain fluide de trempe afin outil se forme de la grenaille ayant, à lSétat brut de coulée, une structure pratiquement entièrement martensitique et une dureté complète correspondante, le revenu étant réalisé sur la grenaille brute écoulée si bien que le procédé ne comprend pas d'étape intermédiaire de traitement thermique de trempe. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'addition d'une matière d'alliage, au métal fondu, sous forme de ferro-bore. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier fondu et affiné contint, en pourcentages pondéraux, 0,68 à 1,06 % de carbone, 0,50 à 2,26 % de manganèse, 0,3 à 1,80 96 de silicium, 0,0 à 0,1 % de soufre et le reste de fer avec des traces d'éléments et des impuretés. 4o Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'acier fondu et affiné contient, en pourcentages pondéraux, 0,6 à 1,20 O/o de carbone, 0,50 à 2,26 % de manganèse, 0,3 à 1,80 % de silicium, 0,0 à 0,1 % de soufre, 0,0001 à 0,01 96 de bore et le reste de fer pratiquement avec des traces d'éléments et des impuretés couramment présentes. 5. Grenaille d'acier brute de coulée, ayant une structure pratiquement totalement martensitique et une dureté complète correspondante, ladite grenaille étant caractérisée en ce qu'elle contient, en-pourcentages pondéraux 0,6 à 1,20 % de carbone, 0,50 à 2,26 O/o de manganèse, 0,3 à 1,80 % de silicium, 0,0-à- 0,1 onde soufre, 0,0001 à 0,01 % de bore, le reste étant pratiquement entièrement formé de fer avec des traces d'éléments et des impuretés couramment présentes. 6. Procédé de préparation de grenaille d'acier brute de coulée ayant une structure pratiquement entièrement martensitique et une dureté complète correspondante, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de chargement, de fusion, d'affinage, d'addition d'alliage et de coulée, cette dernière étapé étant réalisée par direction d'un courant d'acier fondu, affiné et allié dans un courant de fluide sous pression et dans un bain fluide de trempe, et l'acier allié et affiné contient, en pourcentages pondéraux, 0,6 à 1,20 % de carbone, 0,50 à 2,26 % de manganèse, 0,3 à 1,80 % de silicium, 0,0 à 0,1 % de soufre et 0,0001 à 0,01 % de bore, le reste étant pratiquement formé entièrement de fer et de traces d'éléments avec les impuretés couramment présentes. 70 Procédé de préparation de grains d'acier ayant une structure pratiquement entièrement martensitique et une dureté complète correspondante, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de chargement, de fusion, d'affinage, de coulée et de broyage, l'étape de coulée étant réalisée par direction d'un courant d'acier fondu et affiné dans un courant de fluide sous pression et dans un bain fluide de trempe, et le broyage est réalisé sur une grenaille brute de coulée si bien qu'aucune étape intermédiaire de traitement thermique de trempe ntest nécessaire. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier fondu et affiné contient, en pourcentages pondéraux, 0,68 à 1,06 % de carbone, 0,50 à 2,26 % de manganèse, 0,3 à 1,80 % de silicium, 0,0 à 0,1 % de soufre et le reste étant pratiquement formé entièrement de fer, de traces d'éléments et d2impuretés. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier fondu 8 affiné contient, en pourcentages pon- déraux, 0,6 à 1,20 % de carbone, 0,50 à 2,26 % de manganèse, 0,3 à 1,80 % de silicium, 0,0 à 0,1 % de soufre et 0,0001 à 0,01 46 de bore, le reste étant pratiquement formé de fer, de traces d'éléments et d'impuretés couramment présentes.