Brevet FR2465005A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne une tale électrique d'acier à basse teneur en carbone. En raison de leurs bonnes carac- téristiques magnétiques, les tales d'acier au silicium sont largement utilisées dans la fabrication de circuits ou noyaux magnétiques d'ap- pareils électriques tels que moteurs, génératrices, transformateurs et analogues. Ces caractéristiques magnétiques favorables, à savoir une grande perméabilité magnétique, une résistivité électrique élevée et de faibles pertes par hystérésis, téduisent la conversion en pure perte d'énergie électrique en chaleur et permettent donc de fabriquer du matériel électrique de puissance et de rendement plus élevés. Cepen- dant, pour leur conférer les propriétés magnétiques désirées et pour optimiser celles-ci, les tales au silicium doivent être produite sous des conditions établies et maintenues avec soin et précision. Cela explique pourquoi ces tôles sont nettement plus coGteuses que d'autres produits plats laminés plus conventionnels. Dans la fabrication en masse de petit matériel électrique pour articles de grande consommation, jouets et ainsi de suite, le coct par pièce est le plus souvent le facteur déterminant, dépassant de beaucoup l'importance de considérations de rendement et de puissance de l'équipement. C'est pourquoi, pour ces applications, les fabricants de matériel électrique utilisent fréquemment les tôles d'acier à bas carbone plus conventionnelles et moins chères pour les circuits magné- tiques. Il existe donc un marché considérable pour des t8les d'acier à bas carbone ayant des caractéristiques magnétiques acceptables pour des applications à la fabrication de circuits magnétiques. Dans la production de t8les à bas carbone pour applica- tions magnétiques, des considérations économiques ont jusqu'à présent exclu généralement des traitements coûteux et ont même limité au mini- mum les traitements non coteux. C'est pourquoi, bien que des processus sophistiqués aient été mis au point pour produire des t8les d'acier à bas carbone ayant des propriétés magnétiques exceptionnelles, ces pro- cessus n'ont pas été adoptés industriellement parce qu'ils augmente- raient notablement le colt du produit, sans pour autant élever les caractéristiques magnétiques de la t8le obtenue au niveau des caracté- ristiques de tales au silicium ayant un coût de production comparable. Pour qu'il ait une quelconque valeur sur le plan industriel, tout pro- cédé nouveau visant à améliorer les caractéristiques de tOles à faible teneur en carbone doit donc être un procédé qui n'augmente pas le coet de production de l'acier de manière sensible. Les tales à bas carbone pour applications magnétiques sont par conséquent produites industriel- lement, jusqu'à maintenant, de bains d'acier à bas carbone conventionnels, renfermant moins de 0,1% de carbone et les éléments résiduels habituels en quantités normales pour produits laminés à froid. Les processus de laminage sont semblables à ceux utilisés pour d'autres laminés à froid. Plus précisément, les opérations de production se limitent habituellement à laminer à chaud un lingot d'acier à bas car- bone en brame, laminer à chaud la brame en feuillard, décaper le feuil- lard laminé à chaud, laminer à froid le feuillard décapé avec une réduc- tion de 40 à 80% et recuire le feuillard en caisse pour provoquer une recristallisation. Un dressage final par laminage ou étirage de 0,5 à 8% est parfois effectué pour atténuer les pertes dans le noyau et/ou pour planer le feuillard obtenu afin qu'il se prête mieux aux opéra- tions finales de refendage et de découpage des lames de t8les à empi- ler pour former les circuits ou noyaux magnétiques feuilletés. Les tôles d'acier à bas carbone produites industriellement pour applications magnétiques avec une épaisseur de 0,47 mm (18,5 mils) et ayant subi un recuit à l'état de lames possèdent typiquement des perméabilités magnétiques dans la direction de laminage de 5000 à 6000 à 10 kG, avec des pertes dans le noyau allant de 2,9 à 3,5 W/kg (1,3 à 1,6 W/lb). Pour la même épaisseur, à 15 kG, les perméabilités dans la direction de laminage vont typiquement de 2000 e 4000, avec des pertes dans le noyau de 6,6 à 8 W/kg (3 à 4 W/lb). Des tôles laminées à O,64mm (25 mils) ont typiquement des perméabilitésdans la direction de laminage de 4200 à 4800, avec des pertes dans le noyau de 4 à 4,4 W/kg (1,8 à 2 W/lb) à 10 kG et des perméabilités dans la direction de laminage allant de 2000 à 3000, avec des pertes dans le noyau de 9,3 à 10,6W/kg (4,2 à 4,8 W/lb) à 15 kG. Ces grandes variations dans les caractéristiques magné- tiques reflètent la tendance de l'industrie de ne pas attacher une grande importance aux propriétés magnétiques de la tôle d'acier à bas carbone et de mettre plut&t l'accent sur le faible coût de production. Néanmoins, les clients ont récemment commencé à demander des pro- priétés magnétiques meilleures, particulièrement à 15 kG, sans que cela entratne une augmentation notable du coût. Il ressort de ce qui précède que les producteurs ont été poussés sérieusement à améliorer les caractéristiques magnétiques de tels aciers sans augmenter sensiblement les coCtsde production. L'une des opérations relativement coeteusesdans la pro- duction de t6les électriques d'acier à bas carbone est le recuit en caisse, qui est une opération assez longue et laborieuse. De plus, le feuillard de bobines recuites en caisse présente habituellement une déformation venant de l'enroulement en bobine, ce qui demande des opérations de dressage consécutives. Des efforts ont donc été faits pour utiliser un recuit continu à la place du recuit en caisse plus conventionnel. Cette solution est bien entendu nettement moins coa- teuse que le traitement de recuit en caisse et de dressage par lami- nage et/ou étirage et elle peut supprimer le besoin d'une opération de dressage. Toutefois, le traitement de recuit continu ne confère pas d'aussi bonnes propriétés magnétiques que le traitement de recuit en caisse et de dressage par laminage ou étirage; cela explique pour- quoi peu de tentatives dans cette direction ont été faites indus- triellement sans nécessiter des traitements supplémentaires pour amé- liorer les caractéristiques magnétiques. Selon l'invention, un procédé pour produire une t6le électrique d'acier à bas carbone, selon lequel une brame d'acier à bas carbone est transformée par laminage à chaud et laminage à froid en un feuillard laminé à froid d'une épaisseur de 0,41 à 0,91 mm (0,016 à 0,036') et le feuillard laminé à froid est ensuite recuit, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un recuit continu en deux phases, au cours duquel le feuillard est tout d'abord chauffé à 732 à 8160C (1350 à 15000F) dans une atmosphère décarburante, o il est maintenu pendant une durée suffisante pour la décarburation de la surface de l'acier mais insuffisante pour la décarburation de sa par- tie médiane, puis chauffé à 843 à 9540C (1550 à 1750'F) dans une at- mosphère non décarburante et non oxydante pour transformer la micro- structure de l'acier en austénite, ce chauffage étant suivi d'un refroidissement rapide pour produire un ferrite à grain fin et à car- bures finement dispersés dans la partie médiane de l'acier et un ferrite à gros grain sans précipitationsnotables à la surface de l'acier. -- - L'invention apporte également une t8le électrique d'acier à bas carbone ayant d'excellentes propriétés magnétiques et une meil- leure aptitude au découpage, qui est caractérisée par une microstruc- ture duplex (biphasée) comprenant une partie médiane de ferrite à grain fin avec des carbures précipités finement dispersés, ainsi qu'une couche superficielle de ferrite à gros grain sans précipitations nota- bles. La figure unique du dessin annexé est une photomicro- graphie d'une coupe d'une t8le électrique d'acier à bas carbone pro- duite selon l'invention, sur laquelle la microstructure duplex est clairement visible. La tôle a une épaisseur de 0,46 mm (0,018") et le grossissement est de 100. Dans le mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, l'acier est laminéà froid à la suite d'opérations conven- tionnelles dans l'art. Ces opérations sont typiquement celles effec- tuées pour la production d'un acier à bas carbone contenant normalement tout au plus 0,06% de carbone, 0,2 à 0,8% de manganèse, tout au plus 0, 015% de silicium, tout au plus 0,025% de soufre et des impuretés résiduelles normales. Pour obtenir des propriétés magnétiques optimales, il est préférable que l'acier soit rephosphorisé à 0,12 à 0,18% de phosphore et 0,3 à 0,5% de manganèse. Le bain d'acier, avec ou sans les ajustements des teneurs en phosphore et en manganèse, est coulé en continu sous-forme d'une barre (brame) ou coulé en lingots, les- quels sont ensuite transformés en brames par laminage à chaud. Les brames sont ensuite laminées à chaud en un feuillard à chaud d'une épaisseur de 1,78 à 3,30 mm (0,070 à 0,130"), avec une température finale habituellement comprise entre 843 et 8710C (1550 à 1600'F) et les feuillards sont ensuite enroulés en bobines à une température inférieure à 6210C (11500F). Ceci demande bien entendu un certain refroidissement par arrosage avec de l'eau sur la table de sortie faisant suite à la dernière cage avant l'enroulement du feuillard. Le feuillard est ensuite décapé en bobine dans des solutions de déca- page conventionnelles, d'acide chlorhydrique ou sulfurique par exemple, pour enlever la calamine de laminage, avant d'être laminé à froid jusqu'à l'épaisseur nominale finale désirée, habituellement comprise entre 0,41 et 0,91 mm (0,016 à 0,036"). Après ce laminage à froid, l'acier est habituellement recuit en caisse entre 593 et 7040C (1100 et 13000F) pendant une durée suffisante pour assurer que toutes les portions de la bobine aient la température prescrite pendant 1 h afin que la recristallisation de l'acier soit complète, le feuillard étant ensuite dressé par laminage et/ou étirage en vue de son planage et/ou pour lui conférer une tension critique. Dans le procédé de l'invention, les opérations décrites plus haut de recuit en caisse et de dressage par laminage et/ou étirage sont éliminées; au lieu de cela, le feuillard laminé à froid est recuit en continu selon des paramètres observés avec soin, comme dé- crit dans ce qui va suivre. Pour le recuit continu, il faut utiliser un four à rou- leaux ou tout autre four capable de maintenir trois environnements répondant à des conditions bien définies. Un four qui a été utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention est un four à rouleaux qu'on peut se procurer dans le commerce et qui comporte des dérouleurs de bobine, un appareil à souder les feuillards les uns aux autres, un équipement pour former une boucle horizontale dans le feuillard et des dispositifs de nettoyage électrolytique, de lavage et de séchage. La section d'entrée est raccordée à une section horizontale contigue de traitement thermique qui comprend une zone de chauffage chauffée au gaz d'une longueur de 23 m (74 ft), une zone de maintien chauffée électriquement d'une longueur de 183 m (600 ft), une zone de refroi- dissement contrOlé d'une longueur de 61 m (200 ft) et une zone de refroidissement au jet d'une longueur de 27 m (90 ft). La section de sortie comprend un boudeur horizontal et un enrouleur/tendeur. Le feuillard est supporté dans les zones de traitement thermique du four par des rouleaux commandés individuellement et mutuellement espacés, de sorte que le feuillard fléchit entre eux. Il est à noter que cette description d'un four ayant été utilisé avec succès pour la mise en oeuvre de l'invention n'est aucunement limitative; des fours avec d'autres dimensions et d'autres conceptions peuvent convenir aussi. Le feuillard d'acier laminé à froid est soumis à un recuit continu en deux phases, au cours duquel le feuillard est tout d'abord chauffé à une température de recuit inférieure dans la pre- mière zone de traitement thermique, o il est chauffé entre 732 et 8160C (1350 et 15000F) dans une atmosphère décarburante, avant d'être soumis à un réchauffement à une température plus élevée, entre 843 et 9540C (1550 et 17500F) dans une atmosphère neutre, dans la seconde zone de traitement thermique, afin d'austéniser la micro- structure, et d'être refroidi finalement à grande vitesse. L'atmos- phère décarburante utilisée dans la première zone de traitement ther- mique est de préférence conforme à celle décrite dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique 3 958 918, qui contient au moins 20% d'hydrogène et dont le rapport hydrogène/vapeur d'eau est compris entre 5:1 et 8:1. La vitesse d'avance du feuillard et la longueur de la zone de décarburation sont ajustées de telle manière que le feuillard n'est pas décarburé autant que possible, comme cela est habituellement le cas dans l'art antérieur. Le but du traitement thermique initial est de décarburer la surface du feuillard d'acier sans décarburer le coeur. Le produit désiré doit donc avoir un coeur qui présente à peu près la teneur en carbone d'origine d'environ 0,02 à 0,04% et une couche d'acier superficielle contenant moins de 0,005% de carbone. Pour obtenir ce résultat, la demanderesse a découvert qu'il faut décarburer le feuillard suffisamment pour obtenir une couche super- ficielle décarburée à gros grain d'une épaisseur d'au moins 0,051 mm (0, 002") pour des qualités de t8lesconventionnelles, c'est-à-dire pour celles qui seront recuites à l'état de lames, donc après le découpage, et une épaisseur minimale de 0,089 mm (0,0035") pour les qualités traitées entièrement, c'est-à-dire pour les tales utilisées sans recuit après le découpage. Une décarburation plus poussée peut bien entendu tre réalisée, ce qui apporte une certaine diminution des pertes dans le noyau, mais réduit d'autant l'épaisseur du coeur à grain fin et à plus forte teneur en carbone, ce qui se traduit par une diminution de la dureté et de l'aptitude au découpage globales. Le taux total de décarburation à produire doit donc être un compromis entre les propriétés magnétiques et l'aptitude au découpage désirées et les besoinsdu client. La profondeur de décarburation sera naturel- lement fonction de l'atmosphère décarburante utilisée, de la tempéra- ture de l'acier, de la vitesse d'avance du feuillard et de l'équipe- ment utilisé, notamment de la longueur de la zone de décarburation. La profondeur de décarburation peut facilement être accrue ou diminuée par le changement de la vites':: d'avance du feuillard sans changer les autres paramètres. Après la décarburation partielle décrite ci-dessus dans la première zone de traitement thermique, l'acier est chauffé à une température légèrement plus élevée, c'est-à-dire à 843-9540C (1550- 1750 F) dans la seconde zone de traitement thermique. Ce traitement thermique sert à austéniser le feuillard davantage afin que, lors du traitement de refroidissement contrôlé consécutif, la partie médiane non décarburée du feuillard soit transformée en ferrite avec un car- bure précipité finement dispersé qui confère un degré élevé de rigi- dité au produit. Ce traitement thermique secondaire ou traitement de rechauffage à 843-9540C (1550-1750 F) est effectué dans une atmosphère non décarburante et non oxydante, par exemple dans une atmosphère à % d'hydrogène avec un point de rosée de tout au plus 1,70C (350F), reste azote, qui est maintenue pendant environ 30 s. A la suite du traitement thermique d'austénisation dans la seconde zone de traitement thermique, l'acier est rapidement refroidi dans une atmosphère sèche d'hydrogène et d'azote dans la troisième et dernière zone. La vitesse de refroidissement est aussi élevée que possible pour réduire au maximum la diffusion de carbone du coeur de l'acier dans la surface décarburée. Comme dans des opérations de recuit continu conventionnelles typiques, l'acier sort du four à une température inférieure à environ 930C (2000F). Ensuite, les rives du feuillard peuvent être coupées et le feuillard peut être refendu et/ou pourvu d'un revêtement selon des pratiques conventionnelles et confor- mément aux spécifications du client. Le produit ainsi obtenu est caractérisé par une micro- structure duplex inhabituelle dans laquelle la partie médiane du feuillard, dans le sens de son épaisseur, est en ferrite à grain fin présentant des précipitations de carbure finement dispersées, tandis que les couches superficielles sont en un ferrite à gros grain qui est pratiquement exempt de précipitations. La photomicrographie an- nexée montre clairement cette microstructure duplex. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué à ce produit en feuille, une grande partie du flux magnétique passe par la peau décarburée o, sous des induc- tions élevées de l'ordre de 15 kG, le flux magnétique se concentre normalement. Par conséquent, la partie médiane à grain fin contenant les carbures précipités n'a qu'un effet limité sur le pouvoir de con- duction de flux magnétique de la feuille. Cependant, d'un autre côté, la nature de la partie médiane représente un avantage considérable puisqu'elle confère de la rigidité au produit et améliore ainsi son aptitude au découpage, ce qui réduit l'usure des outils de découpage chez le client. De plus, l'étirage par tirage (tension) pendant le processus de recuit continu donne un produit de planéité exception- nelle, sans qu'il soit nécessaire d'effectuer ensuite une opération quelconque de dressage, par laminage par exemple. En plus de ces avantages, le produit, en raison de sa meilleure aptitude au décou- page, possède un bon niveau de pertes dans le noyau à l'état cisaillé, de sorte qu'il convient mieux à la fabrication de circuits magnétiques feuilletés pour machines tournantes sans qu'il soit nécessaire de soumettre les lames découpées à un recuit., Néanmoins, la t8le selon l'invention répond mieux à un recuit à l'état de lames puisqu'il se forme des grains de ferrite primaireaux interfacesdes différentes couches de la t8le, lesquels croissent vers l'intérieur pendant le recuit des lames, produisant ainsi une texture globale finale se prOtant mieux au passage du flux magnétique aux interfaces, ce qui diminue les pertes dans le noyau et améliore la perméabilité. Exemple. Pour illustrer les avantages apportés par l'invention, les tableaux I et II ci-après indiquent les caractéristiques magné- tiques et mécaniques de t8les produites selon l'invention à partir d'un bain d'acier de production. Pour cet essai, un bain d'acier contenant 0,02% de car- bone, 0,547% de manganèse, 0,017% de soufre, 0,07 2 de silicium et rephosphoré à 0,13% de phosphore a été produit et transformé selon des pratiques conventionnelles en feuillard laminé à froid. Ce feuil- lard, en bobines, était laminé à froid à trois épaisseurs différentes: 0, 46 mm (0,018"), 0,58 mm (0,022") et 0,64 mm (0,025") et soumis à un recuit en continu comme décrit dans ce qui précède, comprenant une décarburation à 788C. (1450'F) dans une atmosphère d'hydrogène, azote et vapeur d'eau et un rapport hydrogène/eau de 6:1. Le traitement thermique secondaire était effectué à 871'C (1600F). Il n'y avait pas d'opérations de dressage par laminage ou étirage. Les tOles de toutes les bobines étaient testées à l'état cisaillé et à la suite d'un recuit à l'état de lames à 7880C (14500F) pour améliorer les caractéristiques magnétiques. Après ce recuit, tous les résultats d'essai étaient dans les limites prescrites pour les produits du type 2-S par la norme ASTM A-726. L'épaisseur de la peau décarburée à gros grain était en moyenne de 0,089 mm (0,0035"). T A B L E A U I Caractéristiques magnétiques à 15 kG, 60 Hz I Recuit à l'état similé de Bobin IA l'état cisaillé lames à 788 C pendant 1 h Bobine Epaisseur no mm Pertes dans Pertes dan lenoyauW/kg Perméabilité le noyau W/kg Perméabilité 1 0,46 9,28 1645 7,54 2222 2 0,46 9,33 1616 7,54 2160 3 0,46 9,35 1640 7,32 2363 4 0,46 9,19 1648 7,58 2162 0,56 10,91 1452 8,73 2405 6 0,56 10,96 1421 8,69! 2427 7 0,56 10,08 1532 8,27 2165 8 0,58 12,28 1366 9,52 2410 9 0,58 11,84 1366 9,22 i 2268 0,58 11,90 1399 9,13 2358 11 0,64 13,36 1259 10,76 2045 12 0,64 12,52 1295 9,92 2123 13 0,64 12,79 1300 10,23 2088 14 0,64 12,83 1313 10,25 2287 0,64 13,51 1261 10,80 2389 O- o on r1à o Of en T A B L E A U I Caractéristiques mécaniques Bobine Dureté Direction d'essai Limite conventionnelle Résistance à Allongement o ockwell B |(longitudinale ou d'élasticité à 0,2% la traction n Rockwelil B transversale) kg/mm2 kg/mm2 1 64 L 33,1 43,6 29,0 T 33,8 44,2 28,5 2 59-64 L 31,6 42,5 27,0 T 32,1 42,9 33,0 3 58-61 L 33,1 43,5 29,5 T 33,6 44,4 31,5 4 63-64 L 32,9 43,5 26,0 T 32,5 43,4 30,0 58-64 L 32,1 43,0 28,0 T 32,6 43,7 31,0 6 63-64 L 33,2 43,7 29,0 T 34,4 44,4 29,0 7 58-59 L 33,2 43,4 29,0 T. 33,0 44,2 29,0 8 65-67 L 33,3 43,3 30,5 l T 32,6 43,7 32,0 9 | 64-68 L 33,3 44,2 29,0 ! T 33,9 44,8 30,5 é-. é-. ri c, C> Ln L E A U I I (suite) Bobine D té Direction d'essai Limite conventionnelle Résistance à Allongement I n rockwell B (longitudinale ou d'élasticité à 0,2% la traction ! Rockwe_B transversale) kg/mm2 kg/mm2 64-66 L 33,9 44,2 30,0 T 34,2 44,6 32,0 11 67-70 L 34,0 44,9 32,0 T 34,9 45,3 33,5 12 67-70 L 34,4 43,9 30,5 T 34,2 44,4 33,0 13 68-69 L 33,5 44,6 31,0 T 34,4 44,8 32,0 14 67-68 L 34,3 44,3 31,0 T 33,8 44,7 32,5 66-72 L 34,2 43,9 30,0 T 34,2 45,1 31,0 . .. ... _ . _ - 1 , r-J 2:: 1i c, oc n r.) Vta i i i i i T A B 2 65005S R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé pour produire une t le électrique d'acier à bas carbone, selon lequel une brame d'acier à bas carbone est transformée par laminage à chaud et laminage à froid en un feuillard laminé à froid d'une épaisseur de 0,41 à 0,91 mm (0,016 à 0,036") et le feuil- lard laminé à froid est ensuite recuit, caractérisé en ce qu'il com- prend un recuit continu en deux phases, au cours duquel le feuillard est tout d'abord chauffé à 732 à 816 C (1350 a 1500 F) dans une atmos- phère décarburante, o il est maintenu pendant une durée suffisante pour la décarburation de la surface de l'acier mais insuffisante pour la décarburation de sa partie médiane, puis chauffé à 843 à 954 C (1550 à 1750 F) dans une atmosphère non décarburante et non oxydante pour transformer la microstructure de l'acier en austénite, ce chauf- fage étant suivi d'un refroidissement rapide pour produire un ferrite à grain fin et à carbures finement dispersés dans la partie médiane de l'acier et un ferrite à gros grain sans précipitations notables à la surface de l'acier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère décarburante est de l'air contenant au moins 20% d'hyd-ro- gène et ayant un rapport hydrogène/vapeur d'eau de 5:1 à 8:1. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la décarburation de la surface de l'acier est effectuée jusqu'à une profondeur d'au moins 0,051 mm (0,002"), de préférence d'au moins 0,089 mm (0,0035"). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'acier à bas carbone a une teneur ini- tiale en carbone de 0,02 à 0,04% et en ce que la surface de l'acier est décarburée à moins de 0,005% de carbone. 5. T61e électrique d'acier à bas carbone, caractériséepar une microstructure duplex formée par une partie médiane, dans le sens de l'épaisseur de la t8le, de ferrite a grain fin contenant du carbure précipité finement dispersé, et par une couche superficielle de ferrite à gros grain sans précipitations notables. 6. TOle selon la revendication 5, caractérisée en ce que la couche superficielle de ferrite à gros grain contient moins de 0,005% de carbone. 7. TOle selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que la couche superficielle possède une épaisseur d'au moins 0,051 mm (0,002"), de préférence d'au moins 0,089 mm (0,0035"). 8. T81e électrique d'acier à bas carbone entièrement traitée, ayant une excellente aptitude au découpage et d'excellentes caracté- ristiques magnétiques sans un recuit final à l'état de lames découpées, caractérisée par une microstructure duplex formée par une partie mé- diane, dans le sens de l'épaisseur de la t8le, de ferrite à grain fin contenant du carbure précipité finement dispersé et par une couche superficielle d'une épaisseur d'au moins 0,089 mm (0,0035") de ferrite à gros grain sans précipitations notables.