Brevet FR2481321A1 — publié le 19811030

- 2481321 PROCEDE DE FABRICATION DE LAMINES EN ACIER PRESENTANT UNE BONNE SOUDABILITE, UNE HAUTE LIMITE D'ELASTICITE ET UNE RESILIENCE AUX TRES BASSES TEMPERATURES. La présente invention concerne un procédé de fabrication de laminés en aci.er, notamment de ronds à béton, présentant une bonne sou- dabilité, une haute limite d'élasticité, ainsi qu'une résilience aux très basses températures. Il est bien connu que les ronds à béton de fabrication cou- rante avec une limite d'élasticité de l'ordre de 400 N/mm2 ne présentent qu'une très faible ténacité. Ainsi leur température de transition pour l'essai de résilience Charpy V à 35 J/cm2 est de l'ordre de + 20C. Il s'ensuit que ces produits n'offrent qu'une faible résistance à la rup- ture fragile aux basses températures. Dans le passé une résilience Charpy V à 35 J/cm2 et à des tem- pératures de l'ordre de --196VC n'était point requise pour les utilisa- tions courantes faites des laminés en acier comme les ronds à béton. Or, l'évolution récente de la technologie de fabrication et surtout de stockage des gaz liquéfiés a conduit à la nécessité de disposer de quan- tités assez importantes de laminés en acier résistant au froid intense. Ainsi par exemple il est prévu, pour des raisons de sécurité, de munir les réservoirs de stockage de gaz liquéfiés d'une enveloppe en béton armé ainsi que le prévoient les mesures de sécurité appliquées dans le domaine des réacteurs nucléaires. Pour être utilisables pour la constitution de l'armature de telles enveloppes de réservoirs à gaz liquéfiés qui se trouvent exposés à des températures de - 50OC à -196 'C, les ronds à béton doivent pré- senter en plus d'une résilience adéquate à coeur, une soudabilité sa- tisfaisante, ce qui implique des teneurs en carbone inférieures à 0,2%. Or, les ronds à béton connus, qui contiennent 0,16 à 0,2% de C, sont sou- mis à un torsadage à froid, ce qui a d'un côté pour effet de leur 2 48s3 2 > conférer une limite d'élasticité satisfaisante mais ce qui entraIne d'autre part une ténacité faible, surtout à des basses températures. On a également essayé par exemple de soumettre au cours même de la fabrication des ronds à béton d'une teneur en carbone tout au plus de 0, 20 %, à un traitement comprenant un refroidissement intense en sur- face à la sortie du laminoir, ainsi qu'un autorevenu subséquent. Ceci a permis d'obtenir des ronds à béton soudables et tenaces sans que ces ronds présentent toutefois des températures de transition Charpy V-35 J/cm2 sensiblement meilleures que - 50OC. Jusqu'ici seuls les ronds à béton fabriqués à partir d'un acier allié à 9 % Ni, qui ont subi une double normalisation suivie d'un revenu, ou bien une trempe suivie d'un revenu, présentent une ré- silience Charpy V-35 J/cm2 minimum à-1960C. Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé de fa- brication de laminés répondant aux critères mentionnés au premier alinéa, ce procédé étant réalisable ex chaude de laminage, de préfé- rence à partir d'un acier contenant un minimum d'éléments d'alliage coûteux, réduisant ainsi le prix de revient des laminés produits. Le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que l'on met en oeuvre un acier contenant du carbone (C), du manganèse (Mn), du silicium (Si), de l'aluminium (Al) et du niobium (Nb), que l'on lamine cet acier en veillant à ce que le taux de réduction total, réalisé au cours des trois dernières passes, soit supérieur à 20 % et que l'on règle les températures pour les opérations avant (Tl) pendant (T2) et après (T3) le laminage du produit présentant un diamètre (D), de manière à assurer que la limite d'élasticité (LE) et la résilience -1200C (KCV), exprimées par LE = 1035+ 510C+ 192Mn+ 2270Nb- 0,21T1- 0,42T2- 0,48T3- 3,51D et KCV= 2202- 2066C+ 23,2OMn- 2064Nb-0,77T1- 1,24T2- 0,23T3- 1,98D atteignent les valeurs élevées convoitées. 3 2 48 132 1 Il est bien entendu que les concentrations des différents éléments présents ou ajoutés, ainsi que les températures des différentes phases de traitement, ne varieront qu'à l'intérieur de certaines limites. Ainsi la composition chimique de l'acier utilisé est choisie suivant les expériences recueillies au cours de nombreux essais qui ont été révélés que la teneur en carbone inférieure à 0,20 % sera d'autant plus basse que l'on vise une -température de transition plus basse. Par exemple, on limite le carbone préférentiellement à 0,08 % max. pour une température de transition Charpy V-35 J/cm2 à - 140'C. Une teneur en manganèse de l'ordre de 1,7 % confère la rési- lience voulue à l'acier tout en améliorant sa ténacité, tandis qu'une teneur en silicium de l'ordre de 0,3 % est propice pour renforcer la résistance. Par ailleurs, il est important de calmer l'acier grain fin à l'aluminium pour améliorer la soudabilité et diminuer considérablement la tendance au vieillissement. L'affinage du grain relève par ailleurs la limite d'élasticité, ainsi que la ténacité. Le Nb et éventuellement le V et/ou le Mo garantiront une limite d'élasticité élevée, surtout pour les ronds à béton de gros diamè- tres. Suivant l'invention, le produit est soumis. au cycle thermomé- canique particulier décrit au cours duquel la température du produit est contrôlée pour toutes les opérations avant, pendant et après le laminage, le taux de réduction total obtenu au cours de ces passes doit être impor- tant, c'est-à-dire de préférence supérieur à 20 %. Il convient de souligner que le cycle thermo-mécanique parti- culier, qui fait partie du procédé suivant l'invention, a pour but l'ob- tention d'une structure à grain extrêmement fin à coeur du produit, étant donné que la résilience à très basses températures doit être garantie à coeur du produit laminé. Pour parvenir à ce résultat on choisit d'un côté la tempéra- ture du four judicieusement suivant les règles de l'art de façon à éviter un grossissement du grain sur le demi-produit. D'un autre côté la tempé- rature de début de laminage sera telle que l'on obtient dès le début de laminage un affinage considérable au grain et qu'on évite une recristalli- sation trop importante. Avant les trois dernières passes de laminage, l'acier subit un 4 2 48 1321 refroidissement rapide dans une rampe de refroidissement jusqu'à une température proche du point de transformation Ar3. Le traitement de refroidissement à la sortie du laminoir con- siste en un autre refroidissement énergique du produit, jusqu'à une tem- pérature à coeur suffisamment basse, afin d'éviter toute recristallisation. - L'idée qui est à la base de la présente invention consiste donc à combiner les effets bénéfiques réalisables séparément grâce au choix judicieux des éléments chimiques incorporés en des teneurs déter- minées à l'acier avec les effets d'une interaction dirigée entre l'évolu- tion de la température du produit en cours de fabrication et les taux de réduction appliqués lors du laminage. Le résultat obtenu est matérialisé notamment par une grosseur de grain extrêmement fine du produit fini. Pour réaliser plus aisément des produits présentant des tempé- ratures de transition inférieures à au moins - 1400C, on peut suivant l'invention mettre en oeuvre un acier qui présente des teneurs en nickel de l'ordre de 5 %, mais inférieures à 10 %. Un tel acier, laminé selon le procédé suivant l'invention, présente une résilience Charpy V-35 J/cm2 à - 1960C. Les avantages du procédé suivant l'invention ressortent de manière claire des six expériences décrites par la suite Exemple 1 Le laminage d'un acier naturellement dur pour ronds à béton (C = 0,35 % environ) aboutit à un produit présentant des caractéristiques de traction satisfaisantes, dont notamment une limite d'élasticité dépas- sant 400 LaPa. Cependant la température de transition pour l'essai Charpy V à un niveau d'énergie de 35 J/cm2 n'est que de + 20'C. Cet acier ne pré- sente donc aucune ténacité à basse température. Sa soudabilité est mé- diocre. Exemple 2 Un acier à teneur en carbone limitée à 0,18 %, qui subit le traitement suivant l'invention avant, pendant et après le laminage, offre également des caractéristiques de traction satisfaisantes. Une nette 24 8 3 2 amélioration par rapport à l'exemple 1 est constituée du point de vue allongement et notamment de la température de transition, qui descend à - 60OC. L'acier s'avère être soudable. Exemple 3 La mise en oeuvre d'un acier présentant la composition chi- mique définie dans la présente demande, mais ne subissant pas de traite- ment suivant l'invention, mène à des caractéristiques mécaniques insuffi- santes du point de vue limite d'élasticité et résistance. L'allongement est élevé. La température de transition, même sans traitement, se situe cependant déjà à peu prés au même niveau que celle de l'exemple 2, o-le traitement suivant l'invention a été appliqué avant, pendant et après le laminage. Exemple 4 La combinaison de la composition chimique et des traitements avant, pendant et après le laminage suivant l'invention permettent d'arri- ver à la double amélioration convoitée à savoir: les caractéristiques mécaniques satisfaisantes et l'allonge- ment élevé; la température de transition descendant à une température très basse d'au moins -140'C. Exemple 5 Un acier à 9 % Ni, à l'état de laminage normal à chaud réalisé à une température de transition Charpy V - 35J/cm2 -50%C. Exemple 6 Le même acier à 9 % Ni, dont la résilience à - 1960C n'est normalement réalisable qu'à l'aide d'un traitement thermique onéreux (double normalisation + revenu ou trempe ±revenu), permet d'arriver à une température de transition de - 196oC lorsqu'on applique le traitement préconisé avant, pendant et après le laminage. Les 6 exemples sont résumés de manière succinte dans le ta- bleau I en annexe. Pour le procédé suivant l'invention l'importance de la composi- tion chimique de l'acier ainsi que celle du contrôle des températures lors des opérations de fabrication et du refroidissement rapide post- laminoire est mise en évidence par les six expériences suivantes: 6 2 48 132e Exemple 7 Un acier naturellement dur pour ronds à béton (C = 0,35 % environ) traité suivant le procédé de l'invention est trempé à coeur. Cet acier présente une limite d'élasticité élevée, mais les propriétés de ductilité sont très faibles. Pour l'essai Charpy V, même à température ambiante, le ni- veau d'énergie ne dépasse pas 35 J/cm2. Exemple 8 La mise en oeuvre d'un acier accusant la composition chimique déterminée dans la présente demande, mais sans application du traitement suivant l'invention conduit à des caractéristiques mécaniques insuffi- santes du point de vue limite d'élasticité et résistance. La température de transition de la résilience Charpy V se situe à 60C. Exemple 9 Le même acier laminé sans traitement thermo-mécanique, mais avec un refroidissement post-laminoir présente une limite d'élasticité et une résistance nettement plus élevée que pour l'exemple 8. La tempé- rature de transition (- 750C) est également améliorée par rapport à l'exemple 8. Exemple 10 En introduisant dans le schéma de mise en oeuvre de l'exemple 9 encore un laminage thermo-mécanique, mais uniquement pour les dernières passes la limite d'élasticité et la résistance sont encore améliorées. Il en est de même pour la température de transition (-100'C). Exemple 11 En effectuant un traitement thermo-mécanique pour toutes les opérations de laminage, mais sans refroidissement post-laminoir, la limite d'élasticité et la résistance sont abaissées par rapport aux exemples 9 et 10. La température de transition cependant est encore amé- liorée (-115'C). Exemple 12 Les meilleurs résultats concernant les propriétés mécaniques de l'acier accusant la composition chimique déterminée dans la présente TABLEAU I N exemple 1 2 3 4 5 6 Type d'acier C = 0,35 % C = 0,18 % C = 0,08 % C = 0,08 % 9 % Ni 9 % Ni semi-calmé semi-calmé calmé calmé calmé calmé Traitement suivant l'invention avant, non oui non oui non oui pendant et apres le laminage Limite d'élasticité (MPa) 440 470 320 490 890 710 Résistance (MPa) 650 570 500 570 1010 940 Allongement 10 d (%) 13 25 25 30 9 13 Temp. de transition C, Résilience + 20 - 60 - 60 - 140 - 50 - 196 Charpy V à 35 J/cm2 Co ru TABLEAU II N exemple 7 8 9 10 12 Type d'acier C = 0,35 % C = 0,05 % C = 0,05 % C = 0,05 % C = 0,05 % C = 0,05 % semi-calmé calmé AL calmé Al calmé Al calmé Al calmé Al Température four contrôlée 1200 OC 1200 C 12000 contrôlée contrôlée, Température début de laminage contrôlée non contrôlée non contrôlée non contrôlée contrôlée contrôlée Refroidissement. rapide intermédiaire ou non non oui oui Température de fin de laminage contrôlée non contrôlée non contrôlée contrôlée contrôlée contrôlée Refroidissement ra- pide post-laminoir oui non. oui oui non oui Température après refroidissement post-laminoir contrôlée. - contrôlée contrôlée - contrôlée Limite d'élasticité (MPa) 980 320 430 470 380 490 Résistance (MPa) 980 480 530 550 465 580 Allongement (5d) o% 5 % 34 % 32 % 31 % 36 % 32 % Température de tran- sition ( C) pour la > + 2 C- 60 C 75 C - 100 C - 115 C - 140 C résilience Charpy V à 35 J/cm2 ro ()4 1> 2 481321 demande sont obtenus par le traitement suivant l'invention, avant, pendant et après le laminage, à savoir: des caractéristiques mécaniques satisfaisantes et un allon- gement élevé; une température de transition de la résilience Charpy V très basse. Les résultats précités sont représentés sous une forme suc- cinte dans le tableau II annexé. Cet exemple illustre des conditions non limitatives de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Les proportions de carbone, manganèse et niobium dans l'acier employé étant les suivants: C = 0,08 Mn = 1,60% Nb = 0 et les paramètres de température les suivants Tl = 1 0000C T2 = 800'C T3 = 650'C on obtient pour un diamètre D = 16 mm les valeurs de limite d'élasticité (LE) et de résilience à -120'C (KCV) suivantes LE = 469 MPa KCV = 130 Joules à - 120'C Bien que la présente description soit axée sur la production de ronds à béton, le procédé suivant l'invention peut tout aussi bien être appliqué à d'autres aciers marchands tels que ronds lisses, plats, carrés, cornières, aux profilés et aux tôles, du moment que l'on désire combiner les propriétés de soudabilité, de haute limite d'élasticité et de résilience à température très basse dans un même produit. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nom- breuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. l 2 48 13 21 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de fabrication de laminés en acier, notamment de ronds à béton, présentant une bonne soudabilité, une haute limite d'é- lasticité, ainsi qu'une résilience aux très basses températures, carac- térisé en ce que l'on utilise un acier contenant du carbone (C), du manganèse (Mn), du silicium (Si), de l'aluminium (AI) et du niobium (Nb), que l'on lamine cet acier en veillant à ce que le taux de réduction total, réalisé au cours des trois dernières passes, soit supérieur à 20 % et que l'on règle les températures pour les opérations avant (T1), pen- dant (T2) et après (T3) le laminage du produit présentant un diamètre (D), de manière à assurer que la limite d'élasticité (LE) et la résilience à 120'C (KCV), exprimées par LE = 1035+510C+192Mn+2270Nb-0,21T1-0,42T2-0, 48T3-3,51D et KVC= 2202-2066C+23,20Mn-2064Nb-0,77T1-1,24T2-0,23T3-1,98D atteignent les valeurs élevées convoitées. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit une teneur en carbone inférieure à 0,20 % d'autant plus basse que l'on vise une température de transition plus basse. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on relève la limite d'élasticité de l'acier en opérant un calmage grain fin à l'aluminium à une teneur de 0,03 % au minimum. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, c ractérisé en ce que l'on choisit une-teneur en nickel inférieure à 10 % d'autant plus haute que l'on vise une température de transition plus basse. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on règle la température de début de laminage en créant dans le four une température controlée, inférieure à 1200'C. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on procède avant les trois dernières passes de laminage à un refroidissement rapide de l'acier jusqu'à une température correspondant au point de transformation Ar3. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on procède au terme du laminage à un refroidissement énergique de l'acier jusqu'à une température à coeur suffisamment basse pour éviter toute recristallisation.