Brevet FR2467030A1 — publié le 19810417

La présente invention a trait à la fabrication des rouleaux bimétalliques en acier utilisés dans des installations de coulée continue. On sait que la table d'un rouleau de coulée continue (on désigne ainsi l'enveloppe externe active du rouleau) peut atteindre, peu de temps après le début de la coulée, une température de l'ordre de 600 à 650 OC, tandis que dans le même temps, dans la plupart des cas, l'intérieur du rouleau est refroidi par de l'eau. Ce gradient thermique, d'une part, et, d'autre part, l'alternance des contraintes de tension et de compression dans l'épaisseur de la table, conduisent alors à l'apparition de criques, lesquelles sont évidemment néfastes pour la longévité des rouleaux. Ces criques peuvent se propager au cours du temps, lentement d'abord, puis plus brutalement par la suite, jusqu'à rupture complète de la pièce, et ce d'autant plus facilement que les rouleaux peuvent se trouver, en cours d'utilisation, soumis à des chocs plus ou moins brutaux. Les tables connaissent d'autre part des phénomènes d'usure très importants,à l'origine également de nombreuses mises au rebut. I1 est donc maintenant couramment admis que, dans l'idéal du moins, le métal constituant un rouleau de coulée continue devrait posséder simultanément les propriétés suivantes - être en mesure de retarder le plus longtemps possible l'apparition des criques - empêcher la propagation lente ou brutale de ces criques - résister aux chocs, même brutaux, sans se rompre - résister à l'usure - posséder enfin des caractéristiques mécaniques suffisantes, compte tenu de l'importance du rapport entre longueur et diamètre imposée par la conception générale des installations de coulée continue. La littérature antérieure a déjà largement diffusé cette analyse, et les techniques de fabrication actuelles des rouleaux de coulée continue répondent partiellement à un ou plusieurs des impératifs cités, mais aucune n'a réussi jusqu'à présent à satisfaire à l'ensemble de ces exigences. L'invention a pour but de fournir une table bimétallique en acier possédant à un plus haut degré que les tables connues l'ensemble des propriétés rappelées ci-dessus. L'invention a pour objet à cet effet une table bimétallique en acier pour rouleau de coulée continue, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une couche externe en acier inoxydable au chrome ayant une structure martensite revenue et d'une couche interne en acier spécial allié à bas carbone de type manganèse-molybdèneniobium, le niobium pouvant être remplace-par du vanadium ou du tantale, cette couche interne ayant une structure biphasée riche en ferrite. En variante, l'acier de la couche interne peut être remplacé par de l'acier de type 12 CSDV 7, avec la même structure biphasée riche en ferrite. En particulier, cette structure biphasée peut être constituée de 75 à 85 % de ferrite et de 15 à 25 % de bainite. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une telle table bimétallique. Suivant ce procédé, on réalise un tube composite constitué de deux couches solidaires composées des aciers indiqués, puis on soumet ce tube composite au traitement thermique suivant - montée en température jusqu'à 1 050 C ; - maintien d'une heure à coeur à cette température ; - sortie à l'air calme ; - refroidissement, également à l'air calme ; et - revenu de deux à quatre heures à une température comprise entre 600 et 6500C. De préférence, on réalise le tube composite en effectuant deux coulées centrifuges successives. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur lesquels la Fig. 1 est une vue en coupe axiale dtun rouleau de coulée continue comportant une table bimétallique conforme à l'invention la Fig. 2 est une vue analogue à plus grande échelle d'un détail de la table de ce rouleau au cours de sa fabrication les Fig. 3 et 4 sont des macrographies partielles à l'échelle 1 d'une section transversale de deux tables bimétalliques suivant l'invention. Le rouleau 1 de coulée continue représenté à la Fig. 1 est constitué essentiellement d'une table bimétallique 2, de deux embouts 3 d'un type classique et d'un dispositif de refroidissement 4 également classique. La table 2 est constituée d'une couche externe 5 et d'une couche interne 6. La couche externe 5 est en acier inoxydable au chrome. Sa composition, outre le fer, est la suivante - carbone : inférieur ou égal à 0,20 % - manganèse : inférieur ou égal à 1,0 % - silicium : de 0,50 à 1,50 % - chrome : de 12 à 14 % - soufre : inférieur ou égal à 0,015 % - phosphore : inférieur ou égal à 0,020 % - nickel : de 0,30 à 1,0 % - molybdène : de 0,30 à 1,0 % - addition de niobium ou de vanadium ou, à la fois, de niobium et de vanadium, les teneurs de chacun de ces éléments ou de leur somme étant de 0,02 à 0,08 %. La couche interne 6 présente les pourcentages suivants en éléments non ferreux - carbone : inférieur ou égal à 0,08 % - silicium : inférieur ou égal à 0,30 % - manganèse : de 1,20 à 2,20 % - molybdène : de 0,20 à 0,50 % - niobium : 0,03 à 0,06 %, ce dernier élément pouvant entre remplacé, dans les mimes pourcentages, par du vanadium ou par du tantale. Comme l'indique cette composition, il s'agit d'un acier spé- cial allié à bas carbone, de type manganèse-molybdène comportant, outre un métal générateur de carbures spéciaux, tel que le molybdène, du niobium, du vanadium ou du tantale. Après leur élaboration dans un four, ces aciers sont coulés par centrifugation sous gaz protecteur, successivement, en deux couches coaxiales, dans une même coquille. Cette double centrifugation assure d'elle-meme une excellente qualité de la liaison entre les deux couches, qui se soudent l'une à l'autre, ce qui favorise l'é- vacuation des calories en cours d'utilisation des rouleaux finaux de coulée continue. La qualite de cette liaison dépend pour une part de l'absence de tout film d'oxyde entre les deux couches. C'est pourquoi la coulée centrifuge des deux métaux est faite sous gaz protecteur. L'acier de la couche externe 5, étant du type inoxydable au chrome, possède un coefficient de dilation thermique nettement inférieur à celui de la couche interne 6. Par conséquent, lors du refroidissement consécutif à la double centrifugation, la couche interne précontraint en compression la couche externe. Le faible coefficient de dilatation de la couche externe 5 a aussi pour résultat, lors du travail à chaud de la table 2, de rendre faibles les déformations du matériau, ce qui entraîne une réduction des contraintes thermiques et par suite une meilleure résistance à l'apparition des criques. D'autre part, au cours de la centrifugation, le chrome pré- sent dans la couche externe diffuse dans la couche interne, si bien que l'interface des deux couches n'est pas franche mais est remplacée par une intercouche présentant un gradient en chrome. Après refroidissement et démoulage, on obtient un tube bimétallique constitué des deux couches de métal, respectivement extérieure 5 et intérieure 6. Les épaisseurs des différentes couches peuvent etre réglées à volonté, suivant les nécessités, mais dans l'utilisation envisagée, on règle de façon très précise le rapport de ces deux épaisseurs, suivant les types de rouleaux, pour répondre aux impératifs d'utilisation. On fait appel pour cela à une estimation empirique suivant laquelle, dans les rouleaux à table monométallique, il y a rupture fragile après progression d'une fracture ductile jusqu'au tiers de l'épaisseur, à partir d'une crique. On choisit donc pour la couche externe 5 environ le tiers de l'épaisseur de la table 2. A titre d'exemple, pour des rouleaux de diamètre extérieur 400 à 480 mm et des épaisseurs totales de table de 60 à 80 mm, la couche extérieure 5 peut avoir une épaisseur comprise entre 15 et 20 mm, et la couche interne 6 une épaisseur comprise entre 40 et 65 mm. Après centrifugation, le refroidissement du tube composite est effectué à une vitesse contrôlée de l'ordre de 500C/h, ce qui permet de maitriser au maximum les contraintes résultant de la coopération de deux métaux différents, dotés en particulier de coefficients de dilatation différents. Pour transformer le tube composite ainsi obtenu en une table 2 de rouleau de coulée continue, on lui fait subir un traitement thermique consistant en une montée lente en température (environ 500C/h) jusqu'à 1 0500C, un maintien d'une heure à coeur à cette température et une sortie à l'air calme. Après refroidissement à l'air calme, un revenu de deux à quatre heures à une température comprise entre 600 et 6500C est pratiqué. Grâce à ce cycle de traitement thermique, imposé simultanément aux deux couches, chacune des deux couches peut concourir au mieux à la permanence du rouleau, la première couche 5en retardant l'apparition des criques et la seconde couche 6 en contrariant leur propagation. Lorsqu'on prélève un echantillon sur la table 2 ainsi obtenue et qu'on en fait un examen micro- ou macrographique, la structure est celle donnée à la Fig. 3 ou la Fig. 4, ces deux figures correspondant à deux épaisseurs différentes de la couche externe 5; on voit alors que - la couche externe 5 est constituée de martensite revenue, très ho mogène et isotrope - la couche interne 6 est constituée de grains fins de ferrite et de bainite, avec un pourcentage de bainite de 15 à 25 %, ce qui lui donne une haute ductilité et un haut niveau au test normalisé C.O.D. (Crack Opening Displacement). Pour cette seconde couche, la taille des zains est supérieure au niveau 7 à 8 de l'échelle américaine ASTM,établie à oartir de micrographies standard auxquelles sont comparees les micrographies testées. Après traitement thermique, les tubes sont tronçonnés en élé- ments individuels qui sont à leur tour usinés, alésés intérieurement, ébauchés extérieurement à un diamètre supérieur de 2 mm à celui des cotes finales, et enfin chanfreinés, jusqu'à obtention de la configuration de la Fig. 2. Les opérations de finition du rouleau sont alors les suivantes Les chanfreins 7, s'étendant sur l'épaisseur de la couche 5, sont "beurrés". Ce "beurrage" 8 est pratiqué avec une électrode à hautes caractéristiques mécaniques du métal déposé, par exemple l'électrode S.A.F. Ni 55 ou TENACITO 60, ou toute électrode équivalente. Après beurrage, le dispositif de refroidissement 4 est enfilé dans la table 2, et les soudures 9 entre la table 2 et les embouts 3 sont effectuées soit avec les électrodes précédemment citées, soit, en semi-automatique ou en automatique, avec des couples fils/flux à hautes caractéristiques mécaniques du métal déposé, par exemple le counle fil U M 64 S.A.F./flux Oerkilon 41 TT ou tout couple équivalent. On obtient alors la structure représentée à la Fig. 1, où les deux cylindres 10 en saillie axiale sur la couche 6 et limitant intérieurement les chanfreins 7 (Fig. 2) ont disparu dans les soudures 9, qui présentent une section triangulaire. Après soudure, l'ensemble du rouleau ainsi constitué subit un traitement de détensionnement. Ce traitement consiste à mettre l'ensemble du rouleau dans un four froid, à pratiquer une lente montée en température, de l'ordre de 50 à 1000 C par heure, jusqu'aux environs de 5500C, à maintenir cette température à coeur pendant une heure, puis à effectuer un refroidissement lent, à une vitesse sensiblement identique à celle de la montée. On procède enfin à l'usinage-finition du rouleau et à son contrôle. Les performances relevées sur les rouleaux en fonctionnement et les tests pratiqués sur des échantillons confirment l'aptitude de la couche externe à retarder l'apparition des criques et celle de la couche interne à contrarier la propagation des criques. De plus, le réseau de ces criques est un réseau en quadrillage régulier, bien moins dangereux pour la propagation ultérieure que les réseaux en bandes observés avec les aciers au chrome et au molybdène habituellement utilisés. Cette couche extérieure, étant en acier inoxydable au chrome, se prête bien à une utilisation au-dessus de 5000C sous des efforts mécaniques importants. De plus, sa constitution et sa structure martensite revenue lui confèrent des caractéristiques mécaniques éle vées, à savoir une résistance à la traction supérieure ou égale à 70 daN/mm2 et une limite élastique supérieure ou égale à 50 daN/mm2. Cette couche 5 présente également une bien meilleure tenue à l'usure que les aciers chrome-molybdène couramment employés. Le nickel, dans la composition de cette couche 5, confère au métal une bonne soudabilité, notamment vis-à-vis de la couche interne. La combinaison nickel-molybdène-vanadium ou niobium assure 1' ob- tention des hautes caractéristiques mécaniques, de résilience, de tenue au criquage, de résistance à chaud et de tenue à l'usure. La couche interne 6 est particulièrement remarquable par sa résistance à la propagation brutale des criques thermiques qui arrivent à son niveau. Ceci résulte des excellentes caractéristiques de ductilitéde l'acier de cette seconde couche. Les tests COD (Crack Opening Displacement) effectués et les caractéristiques de résilience mesurées (KCV supérieures ou égales à 11 décajoules par cm2) montrent le net avantage de ces aciers par rapport aux aciers couramment employés. On rappelle que KVC est le quotient de l'énergie qu'absorbe la rupture de l'éprouvette par l'aire de sa section initiale au droit de l'entaille et se mesure par choc latéral sur une éprouvette pourvue d'une entaille en formede V Il faut noter l'existence simultanée d'excellentes caractéristiques de résistance à la propagation des criques et de très bonnes caractéristiques de résistance mécanique : la résistance en traction est supérieure à 50 daN par mm2 et la limite élastique su périeure ou égale à 40 daN par mm2.Ces caractéristiques permettent une géométrie de rouleau, c'est-à-dire un rapport longueur-diamètre, tout à fait compatible avec la géométrie imposée par la conception actuelle des installations de coulée continue. Exemple Des rouleaux ont été fabriqués avec les caractéristiques données ci-après - Composition chimique : Couche 5 Couche 6 Carbone 0,11 0,05 Mn 0,60 1,50 Si 0,62 0,16 Mo - 0,34 Cr 13,20 Ni 0,20 Nb 0,04 0,05 V 0,05 - Traitement thermique : . Maintien à 1 050 0C pendant 1 h à coeur Refroidissement à l'air calme Revenu de 2 h à 6000C - Résistance RT (daN/mm2) 76,3 56;3 - Limite élastique RE (daN/mm2) 53,8 45,1 - Allongement A (%) 20 23 - Striction or (%) 51 67 - KCV à +200C (décajoules/cm2) 4 à 5 13,9 à 15 La Demanderesse a également obtenu des résultats analogues très satisfaisants avec la même couche externe 5 et le même procédé de fabrication mais en utilisant pour la couche interne 6 un acier de type 12CSDV7, c'est-à-dire ayant la composition suivante C : 0,08 à 0,15 % Si : 0,5 à 1,00 % Mn : 0,5 à 1,00 % S 4 0,015 % P 4 0,015 % Cr : 1,2 à 2,00 % Mo : 0,30 à 0,50 % V : 0,08 à 0,15 % Ni : 0,20 à 1,00 %, les structures des deux couches étant les mêmes que précédemment. REVENDICATIONS 1.- Table bimétallique en acier pour rouleau de coulée continue, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une couche externe (5) en acier inoxydable au chrome ayant une structure martensite revenue et d'une couche interne (6) en acier spécial allié à bas carbone de type manganèse-molybdène-niobium, le niobium pouvant être rem- placé par du vanadium ou du tantale, cette couche interne ayant une structure biphasée riche en ferrite. 2.- Table birnétallique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la couche interne (6) présente, outre le fer, la composition suivante C # 0,08 Si # 0,30 % Mn : 1,20 à 2,20 % : : 0,20 à 0,50 % Nb ou Ta ou V : 0,03 à 0,06 %. 3.- Table bimétallique en acier pour rouleau de coulée continue, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une couche externe (5) en acier inoxydable au chrome ayant une structure martensite revenue et d'une couche interne (6) en acier l2CSDV 7 ayant une structure biphasée riche en ferrite. 4.- Table bimétallique suivant l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisée an ce que la structure de la couche interne (6) est constituée de 75 à 85 % de ferrite et de 15 à 25 % de bainite. 5.- Table bimétallique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche externe (5) contient du niobium, ou du vanadium, ou du niobium et du vanadium. 6.- Table bimétallique suivant la revendication 5, caractéri- sée en ce que la couche externe présente, outre le fer, la composi- tion suivante C # 0,20 -% Mn # 1,0 % Si : 0,50 à 1,50 % Cr : 12 à 14 % S # 0,015 96 P # 0,020 % Ni : 0,30 à 1,0 % : : 0,30 à 1,0 % Nb ou V ou Nb + V : 0,02 à 0,08 % 7.- Table bimétallique suivant in une quelconque des reendi- cations 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle présente une intercouche de diffusion entre la couche externe (5) et la couche interne (6). 8.- Procédé de fabrication d'une table bimétallique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on réalise un tube composite constitué de deux couches solidaires composées des aciers indiqués, puis on soumet ce tube composite au traitement thermique suivant - montée en température jusqu'à 1 0500C - maintien d'une heure à coeur à cette température - sortie à l'air calme --refroidissement, également à l'air calme ; et - revenu de deux à quatre heures à une température comprise entre 600 et 650 C. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'on réalise le tube composite en effectuant deux coulées centrifuges successives. 10.- Procédé suivant l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'on assemble par soudure la table bimétallique obtenue avec deux embouts de rouleau et avec un dispositif intérieur de refroidissement, puis on fait subir à l'ensemble un traitement de détensionnement consistant en une lente montée en température jusqu'à environ 550 C, suivie d'un maintien à coeur à cette température pendant une heure, puis d'un refroidissement lent.