Brevet FR2465004A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne des aciers destinés a des applications électromagnétiques et elle se rapporte en particulier à des aciers nonorientés doués de propriétés de résistance au vieillissement magnétique. Les aciers au silicium non-orientés destinés à des applications électromagnétiques sont bien connus en pratique et sont généralement fabriqués sous la forme de tôle ou de bande à l'état totalement recuit qui est ensuite cisaillé ou estampé pour former des stratifiés. Ces stratifiés sont empilés pour former des noyaux de machines électriques statiques ou ro- tatives, par exemple des transformateurs et des alternateurs, et sont excités magnétiquement par un courant circulant dans les conducteurs enroulés autour des noyaux. Dans l'acier au silicium non-orienté classique, on doit apporter une attention particulière au traitement de la matière afin d'éviter des détériorations des propriétés magné- tiques après la fin du traitement. Cette détérioration des pro- priétés magnétiques avec le temps est appelée vieillissement magnétique et est généralement exprimée par un pourcentage d' augmentation de la perte totale de puissance (watts/kg) à une induction spécifiée (par exemple 1,5 Tesla). Il est maintenant de pratique courante de réduire le vieillissement magnétique par un recuit décarburant; la décar- buration est ainsi une étape essentielle mais malheureusement coûteuse de la production d'un acier au silicium non-orienté. Le procédé exige une atmosphère d'hydrogène pur ou une atmos- phère riche en hydrogène qui doit être saturée avec de l'eau pour obtenir un point de rosée spécifique. Cette atmosphère peut être coûteuse et difficile à manipuler. La relation tem- pératgre/temps du recuit doit être ajustée avec précision pour obtenir des taux optimaux de décarburation. - La présente invention se propose de fournir un pro- cédé de fabrication d'un acier au silicium non-orienté, résis- tant au vieillissement magnétique et qui évite un traitement de décarburation dans l'installation de finissage. Selon un premier aspect de la présente invention, un procédé de fabrication d'une t8le en acier non-orienté pour des applications électromagnétiques consiste à laminer à chaud de l'acier ayant une teneur en carbone inférieure-à 0,025 %, une teneur en silicium comprise entre 0, 05 et 3,5 %, une teneur en manganèse comprise entre 0,2 et 0,8 %, une te- neur en aluminium comprise entre 0,10 et 0,35 % et une teneur en azote comprise entre 0,003 et 0,008 %, avec un agent de formation de nitrure/carbure choisi parmi le titane, le nio- bium, le tantale, le vanadium et le zirconium, le reste étant constitué de fer hormis les impuretés fortuites, à bobiner la bande chaude à une température non inférieure à 680 0C et à soumettre le matériau ultérieurement laminé à froid jusqu'à ses dimensions pratiquement finales à un recuit non-décarbu- rant à une température se situant entre 9000 et 1 000 OC. Idéalement, le recuit final non-décarburant doit é- tre effectué à une température supérieure à 940 OC, de préfé- rence comprise entre 950 et 1 000 OC. L'acier de la présente invention peut être produit par tout procédé classique de fabrication de l'acier. Par exemple, on peut utiliser un procédé de fabrication d'acier à l'oxygène soufflé, un procédé de raffinage Liemens-Martin ou un procédé de fabrication de l'acier à l'arc électrique, la composition nécessaire étant obtenue par des techniques bien connues dans la pratique. Dans le cas de l'acier produit par le procédé de fabrication de l'acier à l'oxygène soufflé ou par raffinage Liémens-Martin la concentration en carbone est commodément réduite par dégazage sous vide. L'alliage de la masse fondue pour produire la composition nécessaire peut se faire pendant ou après le dégazage sous vide. De préférence, la bande chaude, qui est idéalement laminée à chaud à une température de finissage non inférieure à 900 OC, est bobinée à une température supérieure à 700 OC pour donner les résultats optimaux. La concentration de l'agent de formation de nitrure/ carbure dans la matière de l'invention est choisie avantageu- sement entre 0,05 et 0,2 % pour le titane, 0,06 et 0,3 % pour le vanadium, de 0,05 à 0,3 % pour le niobium, de 0,12 à 0,3 % pour le zirconium et 0,10 à 0,3 % pour le tantale. Lorsqu'il y a présence de phosphore et de soufre à des taux d'impuretés fortuites et que ces taux peuvent être tolérés, la concentration en poids du phosphore ne doit pas dépasser 0,04 % tandis que la concentration en poids du soufre ne doit pas dépasser 0,025 %. Cependant, en pratique, lorsque l'acier selon l'invention, avant inoculation, est produit par un procédé utilisant le soufflage à l'oxygène, on atteint vrai- semblablement une limite plus basse de concentration de 0,01 % de phosphore et de 0,02 ou éventuellement de 0,015 % de soufre. La bande chaude produite selon la présente invention peut être laminée à froid jusqu'à sa dimension pratiquement fi- nale en une seule opération de laminage à froid ou bien elle peut 4tre laminée à des dimensions pratiquement finales en deux étapes avec un recuit intermédiaire. Au cas o on utilise un laminage à froid à deux étapes, le recuit intermédiaire est convenablement effectué à une température comprise entre 850 et 1 000 OC, bien qu'une température comprise entre 900 et 1 000 0C soit préférable. Bien que le recuit intermédiaire- puisse s'effectuer en atmosphère décarburante, on peut tout aussi bien utiliser un recuit non-décarburant et ceci offre naturellement un certain nombre d'avantages y compris des avan- tages économiques. L'utilisation d'une atmosphère non-décarburante dans le recuit final de la matière laminée à froid ayant ses dimen- sions pratiquement finales ne donne pas de réduction de la con- centration en carbone. Cependant, dans les aciers au silicium classiques, une atmosphère décarburante est nécessaire pour fournir la faible teneur en carbone nécessaire pour minimiser la résistance au vieillissement magnétique. Si des aciers au silicium classiques sont traités dans une atmosphère non-décar- burante, il en résulte des taux non satisfaisants de carbone qui nuisent aux caractéristiques de vieillissement magnétique. La mise en oeuvre du procédé selon la présente in- vention présente l'avantage économique d'éviter l'atmosphère de recuit décarburante antérieurement nécessaire pour attein- dre les faibles teneurs en carbone essentielles pour obtenir des caractéristiques acceptables de vieillissement et magnéti- ques. Les exemples non limitatifs suivants sont donnés a titre d'illustration de l'invention. EXEMPLE 1 On fabrique un acier ayant la composition en poids suivante: 1,24 % de Si 0,34 % de Mm 0,015 % de C 0,025 % de S 0,014 % de P 0,095 % en poids de Ti 0,15 % de Ai 0,0059 % de N (le reste étant constitué par du fer et des impuretés fortuites), on le coule en -lingots, on le lamine à chaud pour former des brames et on lamine ensuite à chaud pour former une bande d'u- ne épaisseur nominale de 2,0 mm. Le laminage à chaud de la bande est commodément réalisé en utilisant une température de finissage de 935 'C et une température de bobinage de 680 OC. La matière laminée à chaud est décapée et laminée à froid en une seule opération de laminage jusqu'à une épaisseur finale de 0,50 mm. La matière laminée à froid est ensuite sou- mise à un recuit final dans une atmosphère non-décarburante à 900 'C pendant environ 2,5 minutes. On obtient une perte de puissance typique de 6,15 W9/kg à 1,5 T, 50 Hz sur un échantillon de Epstein longitudinal à partir de la matière traitée de cette manière. On procède à des essais de vieillissement consistant à traiter les échantillons à une température de 150 C pendant 14 jours puis on renouvelle les essais et on ne constate sen- siblement pas de dégradation de la perte totale de puissance. EXEMPLE 2 On traite un acier comme dans l'Exemple 1 jusqu'à une épaisseur finale de 0,50 mm. On procède à un recuit non- décarburant à une température de 950 C pendant 2,5 minutes environ. On obtient une perte de puissance totale typique de 5,53 W/kg à 1,ST, 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein. L'échantillon ne présente toujours pas de vieillis- sement magnétique dans les limites d'essai détaillées dans l'Exemple 1. EXEMPLE 3 Un acier est traité comme dans l'Exemple 1 jusqu'à une épaisseur finale de 0,50 mm. On procède à un recuit non- décarburant à 1 000 C pendant environ 2,5 minutes. On obtient une perte de puissance typique de 5,06 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein; on obtient des caractéristiques de vieillissement analogues à celles obtenues dans les Exemples 1 et 2. EXEMPLE 4 On fabrique un acier ayant la composition suivante: 1,64 % de Si 0,014 % de C 0,31 % de Mn 0,019 % de S 0,25 % de A1 0,00 60 % de N 0,083 % de Ti (le reste consistant en fer hormis les impuretés fortuites) et on lamine à chaud de la même manière que dans les exemples précédents jusqu'à une épaisseur de la bande de 2,0 mm. Après décapage, la matière est laminée à froid jusqu'à une épaisseur 2-465004 finale de 0,65 mm en une seule opération de laminage à froid. On procède à un recuit final dans une atmosphère non-décarbu- rante à 1 000 C pendant 2,5 minutes. On obtient une perte de puissance totale typique-de 5,40 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantillon longitudinal. L'é- chantillon ne présente toujours pas de vieillissement magnéti- que dans les limites de l'essai indiqué en détail dans ltExem- ple 1. EXEMPLE 5 On fabrique un acier ayant la composition suivante 1,60 % de Si 0,014 % de C 0,32 9 de Mn 0,019 % de S 0,25 % de Ai 0,078 % de Ti 0,0054 % de N (le reste consistant en fer hormis les impuretés fortuites) et on lamine à chaud de la manière classique jusqu'à une épaisseur de la bande de 2,0 mm. Après décapage, la matière est laminée à froid en une seule opération de laminage jusqu'à une épaisseur finale de 0,50 mm et on procède à un recuit final à 940 C en atmosphère non-décarburante pendant 2,5 minutes. Une perte totale typique de puissance de 5,59 W/kg à 1,5T, 50 Hz est obtenue sur un échantillon longitudinal. L'é- chantillon ne présente encore pratiquement pas de vieillissement magnétique dans les limites de l'essai indiqué en détail dans l'Exemple 1. EXEMPLE 6 On fabrique un acier ayant la composition suivante 1,24 % de Si 0,34 % de Mn 0,011 % de C 0,(025 % de S 0,017 % de P 0,10 % de Nb 0,13 % de Ai 0, 0059 % de N (le reste consistant en fer hormis les impuretés fortuites) et on lamine à chaud de la même manière que celle décrite dans l'Exemple 1. Cependant, dans ce cas, la température de finis- sage pendant le laminage à chaud est de 910 C et la tempéra- ture de bobinage est de 680 'C. La matière laminée à chaud est décapée puis laminée à froid en une seule opération de laminage à froid jusqu'à une épaisseur de 0,50 mm et on procède à un recuit final en atmos- phère non-décarburante à 1 000 C pendant 2,5 minutes. On obtient une perte de puissance typique de 7,15 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein. La matière résiste pratiquement à un vieillissement magnétique dans les limites d'essai appliquées aux exemples précédents. EXEMPLE 7 On fabrique un acier ayant la composition suivante: 1,32 % de Si 0,34 % de Mn 0,012 % de C 0,025 % de S 0,013 % de P 0,13 % de Ta 0,11 % de Ai 0, 0063 % de N (le reste consistant en fer hormis les impuretés fortuites) et on lamine à chaud de la m9me manière que celle décrite dans l'Exemple 1. Cependant, dans ce cas, la température de finissa- ge pendant le laminage à chaud est de 910 C et la température de bobinage est de 680 C. La bande laminée à chaud est décapée et laminée à froid jusqu'à une épaisseur finale de 0,50 mm en une seule opé- ration de laminage à froid. On procède à un recuit final de la matière laminée à froid en atmosphère non-décarburante à une température de 1 000 C pendant 2,5 minutes. On obtient une perte de puissance typique de 6,48 W/kg à 1,5T 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein. La matière résiste pratiquement au vieillissement magnétique, dans les limites de l'essai imposées dans les exemples précé- dents. EXEMPLE 8 On fabrique un acier ayant la composition décrite dans l'Exemple 1 et on le lamine à chaud de la manière usuelle. On produit une bande laminée à chaud, ayant une épaisseur nomi- nale de 2,0 mm, en utilisant une température de finissage de 900 C et une température de bobinage de 680 C. Après décapage, la matière laminée à chaud est lami- née à froid jusqu'à une épaisseur intermédiaire de 0,55 mm et on procède à un recuit intermédiaire à 900 C en atmosphère non-décarburante. La matière est ensuite laminée à froid jusqu'à une épaisseur finale de 0,50 mm puis on procède à un recuit final en atmosphère non-décarburante à 900 C pendant environ 2,5 minutes. La perte de puissance typique pour la matière traitée de cette manière est de 4,97 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantil- lon longitudinal. Des essais de vieillissement magnétique con- firment une bonne résistance au vieillissement. EXEMPLE 9 On fabrique un acier ayant la composition donnée en détail dans l'Exemple 6 et on le lamine à chaud de la manière décrite. La matière laminée à chaud est décapée, laminée à froid jusqu'à une épaisseur intermédiaire de 0,55 mm et on pro- cède à un recuit intermédiaire à 900 C en atmosphère non-décar- burante. La matière recuite est ensuite laminée à froid jusqu'à une épaisseur finale de 0,50 mm puis elle est finalement recui- te à 950 C pendant environ 2,5 minutes en atmosphère non-dé- carburante. On obtient une perte de puissance typique pour la matière traitée de cette manière de 4,80 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein. Les échantillons ne présentent pratiquement pas de vieillissement magnétique lorsqu'ils sont testés de la manière précédemment décrite. EXEMPLE 10 On fabrique un acier ayant la composition donnée en détail dans l'Exemple 7 et on le lamine à chaud de la manière décrite. La matière laminée à chaud est décapée, laminée à froid jusqu'à une épaisseur intermédiaire de 0,55 mm et on lui fait subir un recuit intermédiaire à 850 C en atmosphère non-décarburante. La matière recuite est ensuite laminée a froid jusqu'à une épaisseur finale de 0,50 mm puis elle est soumise à un recuit final à 900 C pendant environ 2,5 minutes en atmosphère non-décarburante. On obtient une perte typique de puissance pour la matière traitée de cette manière de 5,08 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein. L'échantillon ne présente pratiquement pas de vieillissement magnétique lorsqu' il est testé comme précédemment décrit. EXEMPLE 11 On fabrique un acier ayant la composition suivante en poids: 0,89 % de Si 0,28 % de Mn 0,015 % de C 0,018 % de S 0,012 % de P 0,068 % de Ti 0,10 % de A1 0,0059 % de N (le reste étant constitué par du fer et des impuretés fortui- tes) on le coule en lingots, on le lamine à chaud en brames et on lamine ensuite à chaud en une bande ayant une épaisseur nominale de 2,0 mmi. Le laminage à chaud de la bande est géné- ralement effectué en utilisant une température de finissage de 935 C et une température de bobinage de 680 C. La matière laminée à chaud est décapée et laminée a froid en une seule opération de laminage jusqu'à une épais- seur finale de 0,50 mm. La matière laminée à froid est ensuite soumise à un recuit final en atmosphère non-décarburante à 940 C pendant environ 1 minute. On obtient une perte typique de puissance de 5,56 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein à par- tir d'une matière traitée de cette façon. L'échantillon ne- présente encore pratiquement pas de vieillissement magnétique, dans les limites dtessai définies dans l'Exemple 1. EXEMPLE 12 On traite comme à l'Exemple 11 un acier ayant la com- position en poids suivante: 2,34 % de Si 0,31 % de Mn 0,011 % de C 0,025 % de S 0,011 % de P 0,079 % de Ti 0,27 % de A1 0,0059 % de N le reste consistant en fer et impuretés fortuites. On obtient une perte typique d'énergie de 4,60 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein à par- tir d'une matière traitée de cette manière. Lkéchantillon ne présente pratiquement pas de vieil- lissement magnétique dans les limites de l'essai défini dans l'Exemple 1. EXEMPLE 13 On traite comme dans l'Exemple 1 un acier ayant la composition suivante en poids 1t67 % de Si 0,33 % de Mn 0,010 % de C 0,016 % de S 0,013 % de P 0,085 % de V 0,23 % de Ai 0,0059 % de N le reste étant constitué de fer et impuretés fortuites. On obtient une perte typique de puissance de 4,56 W/kg à 1,5T, 50 Hz sur un échantillon longitudinal de Epstein pré- levé dans la matière traitée de cette manière. L'échantillon ne présente pratiquement pas de vieil- lissement magnétique dans les limites de l'essai défini dans l'Exemple 1. Bien que cela ne soit pas limitatif, le procédé normal de fabrication des aciers des exemples est le procédé de souf- flage à l'oxygène suivi d'un dégazage sous vide. Dans les exemples, lorsqu'on utilise un laminage à froid en deux étapes, lvpaisseur de la bande après la première opération de laminage à froid se situe de préférence entre 0,55 et 0,75 mm. L465004 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Proc6dé de fabrication d'une t81e d'acier non- orienté pour applications électromagnétiques, caractérisé en ce qu'on lamine à chaud un acier ayant une teneur en carbone inférieure à 0,025 %, une teneur en silicium comprise entre 0,05 et 3,5 %, une teneur en manganèse comprise entre 0,2 et 0,8 %, une teneur en aluminium comprise entre 0,10 et 0,35 % et une teneur en aluminium comprise entre 0,10 et 0, 35 % et une teneur en azote comprise entre 0,003 et 0,008 %, ainsi qu'un agent de formation de nitrure/carbure choisi parmi le titane, le niobium, le tantale, le vanadium et le zirconium, le reste consistant en fer hormis les impuretés fortuites, on bobine la bande chaude à une température égale ou supérieure à 680 C et on soumet la matière ultérieurement lamin6e à froid ayant ses dimensions pratiquement finales à un recuit non-décarburant à une température comprise entre 900 O et 1 000 C. 2 - Proc6dé selon la revendication 1, caractéris6 en ce qu'on effectue le recuit final non-décarburant à une tempé- rature comprise entre 940 et 1 000 C. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractéri- sé en ce qu'on effectue le recuit final non-décarburant à une température comprise entre 950 et 1 000 C. 4 - Procéd6 selon ltune quelconque des revendications préc6dentes, caract6ris6 en ce qu'on fabrique l'acier par un procéd6 classique de fabricaton de l'acier. - Procéd6 selon la revendication 4, caract6ris6 en ce qu'on fabrique l'acier par soufflage à l'oxygène ou raffi- nage Siemens-Martin et on le soumet à un-dégazage sous vide afin de r6duire la concentration en carbone à une valeur choi- sie. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on lamine à chaud la bande chaude à une température de finissage supérieure à 900 C. 7 - Procéd6 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on bobine la bande chaude à une température supérieure à 700 OC. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on lamine à froid la bande chaude jusqu'à ses dimensions pratiquement finales en une seule opération de laminage à froid. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on lamine à froid la bande chaude à des dimensions à peu près finales en deux étapes de laminage à froid avec un recuit intermédiaire. - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on effectue le recuit intermédiaire à une température comprise entre 850 et 1 000 OC. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on effectue le recuit intermédiaire à une température comprise entre 900 et 1 000 C. 12 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 11, caractérisé en ce qu'on effectue le recuit inter- médiaire en atmosphère non-décarburante. 13 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'agent de formation de nitrure/carbure est choisi parmi le titane, le vanadium, le niobium, le zirconium et le tantale. 14 - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la concentration en agent de formation de nitrure/ carbure est choisie de manière à se situer entre 0,05 et 0,2 % en poids pour le titane, 0,06 et 0,3 % pour le vanadium, 0,05 et 0,3 % pour le niobium, 0,12 et 0,3 % pour le zirconium et 0,10 et 0,3 % pour le tantale. 15 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la concentration en poids de phosphore et de soufre ne dépasse pas, respectivement, 0,04 % et 0,025 %. 16 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'on soumet l'acier à un 2 à65004 dégazage sous vide et l'agent de formation de nitrure/carbure est ajouté pendant ou après le dégazage sous vide. 17 - Tôle d'acier non-orienté pour des applications électromagnétiques, caractérisée en ce qu'elle est produite par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16.