Brevet FR2415662A1 — publié le 19790824

La présente invention concerne des tiges ou barres d'acier, laminées å chaud et un procédé de fabrication de telles tiges ou barres. On connait déjà un procédé suivant lequel une tige ou barre est trempée superficiellement a sa sortie du banc finisseur d'un laminoir pour former une couche superficielle bainitique ou martensitique autour d'un noyau austénitique; le refroidissement ultérieur de la tige ou barre transforme le noyau en ferrite et en carbures, la chaleur transférée par le noyau faisant revenir la couche superficielle. Dans certaines applications, la corrosion sous tension d'une tige ou barre comportant une couche superficielle bainitique ou martensitique peut être inappropriée. Parmi de telles applications, on mentionnera les ancres, les tiges qui doivent reposer en conF tact avec des sols contenant des produits de contamination, tels que des sulfates, des nitrates et des chlorures, ou les barres de renforcement qui doivent être noyées dans du béton contenant de tels produits de contamination. On sait qu'une microstructure de perlite-ferrite a une meilleure résistance a la corrosion sous tension qu'une martensite revenue. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une tige ou barre d'acier qui consiste successivement à laminer la matière première aux dimensions désirées dans un laminoir à chaud, tremper partiellement la tige ou barre pour abaisser la température de sa surface jusqu'd une valeur à laquelle une transformation du type ferrite-nerlite se produit, sans abaisser la température du noyau de la tige ou barre en dessous de la température critique pour la transformation de l'austénite, à main tenir la tige ou barre à cette température pendant une période de temps suffisante pour produire une couche superficielle ayant une structure du type ferrite-perlite, a tremper rapidement la tige ou barre partiellement refroidie pour abaisser sa tempéra- ture superficielle de façon produire une microstructure acicu laire comprenant un anneau de martensite et/ou de bainite, in terposé entre la couche superficielle et le noyau encore austeni tique, puis a refroidir ensuite la tige ou barre de façon transformer le noyau austénitique en ferrite et en carbures, en balnStc, en martensite, ou en une combinaison d'au moins deux de ces constituants. On peut tremper la tige ou barre par pulvérisation d'eau sur sa surface pendant qu'elle se déplace hors du laminoir å chaud ou en la faisant passer dans un appareil de trempe, par exemple dans une auge contenant un courant d'eau turbulent. Un refroidissement par air peut être adopté pour les aciers plus fortement alliés. En variante, on peut refroidir la tige ou barre au moyen d'un brouillard d'eau et d'air dirigé sur sa surface ou encore en la faisant passer dans un bain de métal liquide (par exemple du plomb) ou dans une solution aqueuse (par exemple de la saumure). Selon un autre aspect de la présente invention, une tige ou barre d'acier laminée chaud comprend une couche super ficelle extérieure ayant une structure du type ferriteperlite, un anneau situé immédiatement au-dessous de cette couche superficielle et ayant une micro-structure aciculaire comprenant de la martensite et/ou de la bainite et un noyau de bainite, de martensite ou de ferrite et de carbures ou encore d'une combinaison d'au moins deux de ces constituants. Une région annulaire de bainite peut être interposée entre la région annulaire martensitique et le noyau. Une transformation ferrite-perlite est une transformation au cours de laquelle est formée une structure perlitique ou une structure de perlite séparée de la ferrite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée a titre d'exemple non limitatif et faite en regard des dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 représente graphiquement les courbes de refroidissement de trois points de l'épaisseur d'une barre d'acier ronde fabriquée conformément à la présente invention; - la Fig 2 est une vue en coupe d'une barre fabriquée con formément a l'invention; - les Fig. 3 et 4 représentent graphiquement les profils de dureté obtenus dans des barres fabriquées selon l'invention,et -la Fig. 5 représente trois microstructures d'une section transversales de la barre dont le profil de dureté a été repré senté sur la Fig. 4. Les courbes de refroidissement du graphique de la Fig. 1 sont des courbes de températures, en degré Celsius, par rapport au temps, en secondes1 et indiquent les températures existant à la surface d'une barre, immédiatement au-dessous de la surface de la barre et dans le noyau de la barre, à divers moments d'un cycle de refroidissement effectué pour simuler expérimentalement les conditions auxquelles est snumise une barre laminée à chaud quittant le banc finisseur d'un laminoir à chaud. Les courbes sont respectivement désignées par les références 1, 2 et 3. La barre utilisée dans ltexperience est une barre de renforcement type, de 20 mm de diamètre, ayant; en pourcentage en poids/ carbone ; 0,21% manganèse 0,62%soufre 0,06% phosphore,0l0l2%1 si- licium 0,028,le reste étant du fer et des impuretés accidentelles. La barre a été chauffé à une température d'approximativement 9800C puis partiellement trempée, pendant une période de 3,3 sec, dans un bain de plomb à une température de 4000C pour abaisser sa température de surface jusqu'à environ 600"C afin de favoriser la transformation perlitique. A la fin de cette trempe ( indiqué en tl sur l'axe horizontal du graphique), la température du noyau de la barre restait au-dessus de la température critique pour la transformation de l'austénite. La couche superficielle de la barre a été maintenue dans la plage des températures de la transformation perlitique pendant une période de temps d'approximativement une seconde (temps t2) par refroidissement par air, pour former une microstructure perlitique-ferritique dans la couche superficielle. Suivant une variante, les conditions de température de transformation perlitique peuvent être maintenues au moyen d'un refroidissement par eau intermittent de la barre, par exemple en projetant sur la barre des jets d'eau intermittents ou en faisant passer la barre à travers une succession d'auges remplies d'eau. Après cette étape de refroidissement, la couche superficielle peut également contenir une faible proportion de bainite. Une fois que la couche superficielle requise a été formée,la barre a été rapidement trempée par immersion dans une solution de saumure, pendant une nouvelle période de 1,5 secondes, refroidie par air, puis, une fois encore, rapidement trempée par immersion dans une solution de saumure, pendant une période de 1,5 secondes, pour la refroidir jusqu'à une température à laquelle la couche superficielle et la couche intermédiaire étaient toutes deux en dessous de la température de formation de la martensite (temps t3). A ce moment, la température à la surface de la barre était approximativement 1800C, celle d'un point situé à 3 mm audessous de la surface de la barre était d'approximativement 280ex et celle du centre de la barre était d'approximativement 500 C. Ces deux trempes rapides ont produit un anneau de martensite immédiatement au-dessous de la couche superficielle ccstituée principalement par de la perlite. A la suite des étapes de trempe, la barre a atteint une température d'égalisation dans l'air d'approximativement 3000C; au cours de ce refroidissement par air, la choeur émanant du noyau a fait revenir la couche intermédiaire de la barre et le noyau s'est transformé en une combinaison de ferrite, de carbures et de bainite. Pour des dimensions et de qualités différentes de tiges et de barres, le temps de refroidissement et les plages de températures seront différents de ceux indiqués ci-dessus. Dans tous les cas, cependant, la courbe 2 se trouvera toujours au-dessus de la température de transformation critique avant le temps t2. Le profil de dureté de la barre traitée dans l'expérience décrite ci-dessus est représenté sur la Fig.3 Ce profil de dureté est représenté en traits pleins et désigné par la référence 4. Comme on peut le voir en considérant la Fig.3, on a constaté que la barre avait une surface perlitique relativement tendre d'une dureté comprise entre 210 et 220 HV10, une microstructure aciculaire, comprenant de la martensite et de la bainite, et situé immédiatement au-dessous de sa surface, qui a une dureté d'approximativement 320 HVîO et un noyau relativement tendre comprenant de la bainite, des carbures et de la ferrite qui a une dureté d'approximativement 260 Halo. On a également représenté sur la Fig. 3, le profil de dureté d'une barre qui a le même diamêtre et la même composition que celle décrite ci-dessus, mais a été soumise à un cycle de refroidissement modifié. Le profil de dureté de cette barre est représenté sur la Fig. 3 par une ligne en traits mixtes et est designé par la référence 5. Le cycle de refroidissement de cette seconde barre a compris une trempe initiale, pendant une période de six secondes, dans un bain de plomb maintenu à une température de 4500C, suivie d'un refroidissemnet par air d'une durée d'une seconde et d'une trempe rapide dans un bain de saumure à -100C pendant 4 secondes.On a constaté que la barre ayant subi ce cycle de refroidissement avait une couche de surface d'une dureté similaire å celle précédemment décrite mais différait de cette première barre du fait que la couche intermédiaire, située immédiatement au-dessous de la couche superficielle, avait une dureté d'approximativement 350 HVlO et du fait que le noyau de la barre avait une dureté s'approchant de 400 HV1O. Ainsi, tandis que la barre illustrée par le profil de dureté avait une couche superficielle relativement tendre, une couche intermédiaire dure et un noyau relativement tendre, la barre représentée par le profil de dureté 5 avait une couche superficielle relativement tendre, une couche intermédiaire plus dure et un noyau relativement dur. La Fig.4 représente le profil de dureté 6 d'une barre ayant la même composition et le même diamètre que celles décrites ci-dessus mais ayant été refoidie par de multiples immersions dans des solutions aqueuses d'eau de ville et de saumure. Sur cette figure, on peut voir que la barre présente un profil de dureté similaire au profil 4 de la Fig.3. La Fig;5 montre des microstruc tures d'une section transversale de la barre dont le profil de dureté est représenté sur la Fig. 4. Les microstructures représentées sont prises à la surface de la barre, en un emplacement situé à 2 mm au-dessous de la surface de la barre et au centre de la barre.Ces micrographiques montrent clairement une microstructure perlitique-ferritique à la surface de la barre, une microstructure comprenant de la martensite ét de la bainite dans la couche située immédiatement au-dessous de la surface et une microstructure de noyau constituée par de la ferrite, des carbures et de la bainite. Il est bien entendu que, par un choix approprié des milieux de trempe et des temps de trempe, il est possible d'obtenir une gamme de microstructures différentes sur la largeur d'une barre. Comme représenté schématiquement sur la Fig. 2, les tiges ou barres produites conformément au procédé décrit ci-dessus comportent une couche extérieure constituée essentiellement par de la perlite et de la ferrite, une région annulaire intérieure de martensite ou de bainite et un noyau de bainite, de ferrite et de carbures ou d'un mélange de ces constituants. Une telle tige ou barre présente l'avantage de conserver la résistance à la corrosion sous tension d'une barre de renforcement perlitique avec les avantages supplémentaires d'une résistance accrue et d'une ductilité améliorée. Lors du laminage à chaud d'une barre, il existe une situation dynamique dans la barre, immédiatement après la déformation finale, au cours de laquelle I'austénite recristallise. Ceci est suivi immédiatement par une croissance des grains. Les grains fins recristallisés tendent à se transformer très rapidement, à une température d'environ 600 à 7000cri pour produire une microstructure du type perlitique.Ainsi, si la surface d'une barre est refoidie à une température à laquelle une transformation du type ferrite-perlite se produit, la réaction décrite ci-dessus est accelerée. A un certain moment, l'austénite se stabilise par suite de la croissance des grains, favorisant ainsi la formation de la martensite immédiatement au-dessous de la surface de la barre En aDpliouant la prsite initicn au cas d'un laminoir à chaud de barres, il est, par conséquent, préférable de tremper immédiatement la barre à sa sortie du laminoir. I1 est bien entendu que le procédé décrit ci-dessus est applicable à une large gamme de compositions d'acier. Cependant il est principalement applicable à la fabrication de tiges ou barres d'acier au carbone-manganèse ordinaires dans lesquelles la sta bilité de l'austénite permet une transformation ferrite-perlite à la surface de la barre, en une courte période de temps, bien qu' il ait une stabilité suffisante pour se transformer en martensitebainite dans la couche située au-dessous de la surface. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'une tige ou barre d'acier, caractérisé en ce qu'il consiste successivement a laminer la matière première aux dimensions dans un laminoir à chaud, tremper partiellement la tige ou barre pour abaisser la température de sa surface à une valeur à laquelle une transformation du type ferrite-perlite se produit , sans abaisser la température du noyau de la tige ou barre en-dessous de la température critique pour la transformation de l'austénite, maintenir la tige ou barre à cette température pendant une période de temps suffisante pour produire une couche superficielle ayant une structure de type ferrite-perlite, tremper rapidement la tige ou barre partiellement refroidie pour abaisser sa température superficielle de façon produire un anneau d'une microstructure aciculaire comprenant de la martensite et/ou de la bainite, interposé entre la couche superficielle et le noyau encore austénitique, puis refroidir ensuite la tige ou barre de façon à transformer le noyau austénitique en férrite et en carbures, en bainite, en martensite, ou en une combinaison d'aux moins deux de ces constituants. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la trempe partielle initiale est effectuée en pulvérisant de l'eau sur la surface de la barre lorsqu'elle quitte un laminoir à chaud. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la trempe partielle initiale est effectuée en faisant passer la barre dans une auge contenant un fluide de refroidissemnt. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est du plomb liquide. 5 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est de l'eau. 6 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est de la saumure. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la trempe partielle initiale est effectuée en dirigeant des jets d'air sur la surface de la barre lorsqu'elle quitte un laminoir à chaud. 8 - Procédé selon l'une des revendications I à 7, caractérisé en ce que la trempe rapide est effectuée en immèrgeant la barre partiellement refroidie dans une solution aqueuse. 9 - Procédé selon l'une des revendications l à 8, caractérisé en ce que la trempe rapide est réalisée en soumettant la barre partiellement refroidie à une succession d'étapes de trempe, chacune suivie par une courte période au cours de laquelle la barre est refroidie par air. 11 - Tige ou barre d'acier, caractérisée en ce qu'elle comprend une couche superficielle extérieure ayant une structure du type ferrite-perlite, une région annulaire, situé immediatement audes sous de cette couche superficielle; qui a une microstructure aciculaire comprenant de'la martensite et/ou de la bainite et un noyau de bainite, de martensite ou de ferrite et de carbures, ou encore d'une combinaison d'au moins deux de ces constituants.