Brevet FR2474060A1 — publié le 19810724

L'invention concerne un procédé de fabrication de tôles d'acier aluminiées par fusion ayant une basse tension de fluage et subissant un faible gain de poids par oxydation à haute température. Jusqu'à présent, les tôles d'acier aluminiées par fusion (appelées ciaprès simplement "tôles d'acier aluminiées") destinées aux usages o la résistance à la chaleur et à la corrosion sont exigées sont principale- ment des tôles laminées à froid d'acier effervescent pau- vre en carbone. Toutefois, il est bien connu que les tô- les d'acier aluminiées produites à partir de tôles d'a- cier effervescent subissent une dégradation de qualité due au vieillissement causé par le refroidissement rapide lors du dépôt du revêtement, qui durcit le matériau. Les principales mesures que l'on peut prendre pour empôcher la dégradation susdite consistent: (1) à utiliser des tôles-substrats formées d'un acier duquel on a éliminé aussi complètement que possible le carbone et l'azote qui causent le vieillissement par refroidissement rapide, (2) à ajouter un élément formateur de carbure tel que Ti pour fixer dans le substrat le carbone et l'azote qui causent le vieillissement par refroidissement rapide, (3) à appliquer un survieillissement aux tôles aluminiées qui ont subi un vieillissement par refroidissement rapide, etc.. Toutefois,la mesure (1) n'est pas économique dans le cas o l'on revtt des tôles d'acier au moyen d'un appareil de revêtement par immersion à chaud du type avec recuit en ligne comportant un four non oxydant, bien que l'on puisse la réaliser dans le processus ordinaire de fabrication d'acier en appliquant un recuit de décar- buration. La mesure (2) est économique en elle-même mais lorsqu'on l'applique à des aciers pauvres en carbone qui ne peuvent àtre obtenus que par le procédé ordinaire au convertisseur, il faut utiliser une quantité considéra- ble de titane et celui-ci, qui est très oxydable, donne un taux non négligeable d'inclusion d'oxyde qui a pour effet de dégrader la qualité de surface du produit. Aussi, en fin de compte, cette mesure n'est pas désirable écono- miquement ou techniquement. La mesure (3) est économique. Mais ce traite- ment risque d'accroître la couche d'alliage Fe-Al qui a une aptitude médiocre au formage, même si l'on a effectué l'aluminiage dans des conditions qui limitent la forma- tion de la couche d'alliage Fe-Al. Donc, par ce traite- ment, s'il est vrai que les propriétés du substrat sont améliorées, l'aptitude au formage de la couche aluminiée en est altérée. le brevet japonais nO 35532/76 de la demanderesse concerne un procédé de fabrication de tôles d'acier alu- miniées qui consiste à laminer à chauf à au moins 800 0 un acier comprenant essentiellement 0,001 à 0,020% de C, 0,05% au maximum de Si, 0, 05 à 0,40% de Mn, 0,10 à 0,30%o de Or, une quantité de Ti effectif (Ti total moins Ti sous forme d'oxyde) allant de 0,03 à 0,40% et représen- tant au moins 4 fois (C+N)%, 0,006% au maximum de N, 0,020% au maximum de 0, le reste étant formé de Fe et d'impuretés accidentelles inévitables, puis à le laminer à froid à un taux de réduction de 40% ou davantage, à recuire la tôle entre 800 et 9500oC et à la plonger dans un bain d'al- liage Al-Si (10% au maximum de Si) maintenu entre 640 et 700 C pendant 10 minutes au maximum. La tôle d'acier aluminiée ainsi obtenue a une tension de fluage de 127,5 à 166,7 MPa et un allongement de 44 à 47%, à l'état de tôle laminée à froid de 0,8 mm d'épaisseur. Mais actuellement, on a de plus en plus be- soin de matériaux plus aptes au formage. On a étudié les moyens de répondre à ce besoin et on est arrivé à l'idée d'appliquer les trois mesures suivantes pour obtenir des tôles d'acier aluminiées amé- liorées ayant une bonne aptitude au formage avec une faible tension de fluage et un très faible gain de poids à l'oxy- dation à haute température: (1) diminuer la teneur en C et 0 de la tÈle d'acier for- mant substrat en appliquant un traitement de déga- zage sous vide et en désoxydant préalablement avec Al au stade de la fabrication de l'acier de manière à diminuer la proportion de Ti nécessaire pour fixer O et N et limiter la formation d'oxydes, (2) diminuer la teneur en Mn qui augmente la tension de fluage et ajouter du Cr qui la diminue, (3) favoriser l'agglomération et la croissance du car- bure de titane précipité en enroulant la bobine chau- de finie à une température pouvant atteindre 700 0 de manière à empêcher le durcissement par formation de carbure du titane ajouté au substrat, (4) favoriser encore l'agglomération du carbure de titane en chauffant la tôle laminée à froid à une tempéra- -Lre de 8500C ou davantage lorsqu'on la fait passer à travers un appareil de revêtement par immersion à chaud du type avec recuit en ligne comportant un four non oxydant. En outre, selon l'invention, on améliore la résistance à l'oxydation à haute température du matériau par addition conjointe de Ti et Cr. Autrement dit, on di- minue remarquablement le gain de poids par oxydation à haute température en décarburant le substrat et on l'a- méliore encore par addition de Ti. Les raisons sont les suivantes: (1) par décarburation ou addition de Ti, on améliore la propreté du matériau ferreux et l'aluminium de la couche d'aluminium diffuse facilement dans le subs- trat ferreux, formant une couche de diffusion d'aluminium qui a une excellente résistance à l'oxydation à haute température, et (2) le titane contenu diffuse vers la surface et forme une couche concentrée de Ti sous la cou- che de diffusion d'Al quand on soumet la matière à une haute température, empêchant ainsi l'aluminium de diffu- ser davantage vers l'intérieur, retardant donc la diminu- tion de la concentration d'Al dans la couche superficielle et fixant aussi l'oxygène qui a pénétré dans le fer. Ainsi, l'invention concerne un procédé de fabri- cation de tôles d'acier aluminiées ayant une faible résis- tance au fluage et une grande résistance à l'oxydation à haute température, caractérisé par les étapes suivantes: fabriquer un acier dont la composition chimique comprend essentiellement 0,001 à 0,020% de C, 0,05 à 0,30% de Mn, 0,05 à 0,50% de Or, 0,01 à 0,10% d'Al, 0,10 à 0,50% de Ti représentant au moins 10 fois le pourcentage de C, le reste étant formé de Fe et d'impuretés accidentelles iné- vitables, en appliquant le procédé ordinaire d'affinage au convertisseur et de dégazage sous vide, convertir-cet acier en brame par le procédé ordinaire de coulée et de mise sous forme de brame ou le procédé ordinaire de cou- lée continue; laminer la brame à chaud en continu et à la bobiner à une température d'au moins 70000 C; laminer ensuite le produit à froid après le traitement ordinaire de décapage; chauffer la tôle à une température d'au moins 85000 C et la revêtir d'aluminium au moyen d'un appareil de revêtement par immersion à chaud du type avec recuit en ligne comportant un four non oxydant. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, la te- neur en 0 est de 0,001 à 0,010o%, la teneur en Mn de 0,05 à 0,20o%, la teneur en Or de 0,07 à 0,45%, la teneur en A1 de 0,02 à 0,05%, et la teneur en Ti est de 0,15 à 0O40% et représente au moins 20 fois la teneur en 0. Dans un mode de mise en oeuvre spécialement préféré, la teneur en C est de 0,001 à 0,007%, la teneur en Mn de 0,10 à 0,17%, la teneur en Cr de 0, 07 à 0,42%, la teneur en A de 0,03 à 0,41% et la teneur en Ti est de 0,19 à 0,23% et représente au moins 30 fois la teneur en C; la température de bobinage de la bobine chaude est de 720 à 73000 et la température de chauffage lors du revêtement est de 860 à 900 C. Les raisons des limitations numériques généra- les définies plus haut sont les suivantes. Plus la teneur en carbone est faible, plus l'ef- fet du vieillissement par refroidissement rapide est di- minué. Il est donc désirable de diminuer le plus possible la teneur en C. Toutefois, il n'est pas facile de la ra- mener à moins de 0,001% même par un procédé moderne de fabrication d'acier dans lequel on applique un dégazage sous vide. Même si l'on peut y parvenir, ce n'est pas une opération économique. C'est pourquoi la limite infé- rieure de la teneur en C est fixée à 0,001%. La limite supérieure est fixée à 0,020% parce que, si la teneur en C dépasse cette limite, la quantité de Ti à ajouter pour empêcher l'effet indésirable de vieillissement par refroidissement rapide, causé par C, doit être accrue de façon prohibitive. Si l'on fixe la teneur en Mn entre 0,05 et 0,30%, c'est parce qu'il est difficile d'obtenir un acier dont la teneur en Mn soit inférieure à 0,05% par le procédé ordi- naire de fabrication d'acier et que, lorsque la teneur en Mn dépasse 0,30%, l'acier devient dur et a par consé- quent une grande résistance au fluage. Si l'on fixe la teneur en Cr entre 0,05 et 0,50%, c'est parce qu'une quantité de Cr inférieure à 0,05% ne donne pas un effet suffisant d'abaissement de la tension de fluage et que, d'autre part, une quantité de Cr supé- rieure à 0,50% diminue aussi cet effet. On utilise l'aluminium pour la désoxydation de l'acier fondu et, spécialement dans l'invention, il joue un rôle important comme agent de désoxydation préalable qui évite une utilisation ruineuse de Ti. A ce point de vue, la limite inférieure de la teneur en Ai est fixée à 0,01%. Toutefois, si l'on ajoute une quantité d'Al su- périeure à 0,10%, les propriétés de surface et l'aptitude au formage de la tèle d'acier obtenue sont altérées. Si l'on fixe une teneur en Ti entre 0,10 et 0,50% représentant au moins 10 fois la teneur en C, c'est pour les raisons suivantes. Si la teneur en Ti est infé- rieure à 0,10%, l'effet d'amélioration de la résistance à l'oxydation à haute température, comme représenté par le gain de poids à l'oxydation, n'est pas suffisant, bien que la tension de fluage soit assez faible. Par contre, si la teneur en Ti dépasse 0,50%,, la matière devient dure et perd sa caractéristique de faible résistance au fluage, bien que le gain de poids à l'oxydation diminue. Si la teneur en Ti est inférieure à 10 fois la teneur en C, la fixation de C au moyen de Ti n'est pas suffisante, ce qui entrane une augmentation de la résistance au fluage et une augmentation du gain de poids à loxydation, sup- primant les caractéristiques de l'invention. Dans le procédé selon l'invention, Si, P et S en tant qu'impuretés inévitables peuvent être présents dans la mesure ordinaire dans les aciers de ce genre. L'azote et l'oxygène peuvent, sans inconvénients, être présents aux taux habituellement atteints par le procédé avec dégazage sous vide. Si l'on fixe la température de bobinage à au moins 7000C, c'est parce qu'à une température plus basse, le ramollissement du matériau, dû à l'agglomération et à la croissance du précipité de Ti formé par fixation de C au moyen de Ti, n'est pas suffisant de sorte que l'une des caractéristiques de l'invention se perd. En outre, il est nécessaire que dans la chaîne d'aluminiage, la tôle laminée à froid soit chauffée à au moins 8500C avant d'entrer dans le bain de revêtement, afin d'opérer un effet de recuit sur la tôle laminée à froid, ce qui fait que le précipité de Ti s'agglomère davantage en particules plus grosses et ramollit ainsi la matière. Dans le procédé de l'invention, la composition de l'acier formant substrat diffère uniquement de celle qu'on utilise dans le brevet japonais n 35532/76 précité, par le fait que l'acier de la présente invention contient de l'aluminium ajouté intentionnellement. Mais le procédé est complètement différent de l'invention antérieure. On expliquera maintenant en'détail l'invention dVaprès les résultats d'expériences. On prépare par affinage au convertisseur et dégazage sous vide des échantillons d'acier dont la com- position est indiquée au Tableau 1. On soumet les lingots au dégrossissage et au laminage à chaud en continu, on bobine les produits laminés à des températures variables, comme indiqué, et on obtient des tôles bobinées chaudes de 2,5 mm d'épaisseur. Après décapage usuel, on conver- tit -les bobines chaudes en tôles laminées à froid de 0,8 mm d'épaisseur. On chauffe à diverses températures les t8les laminées à froid ainsi obtenues et on les revêt d'aluminium (60 g/nm2) au moyen d'un appareil de revêtement par immer- sion à chaud avec recuit en ligne et four non oxydant (pratiquement, un appareil Sendzimir modifié), dans les conditions ordinaires. On soumet les t8les aluminiées à l'essai de matière et à l'essai d'oxydation. les résul- tats (propriétés mécaniques et gains de poids à l'oxyda- tion) sont indiqués dans le même tableau. On effectue les essais de matière avec des échantillons préparés se- lon la norme japonaise JIS Z-2201 no 5, coupés dans la direction de laminage, et l'essai d'oxydation avec cinq répétitions d'un cycle consistant à maintenir les échan- tillons à 83000 dans l'atmosphère pendant 48 heures et à les refroidir à la température ambiante. Au Tableau 1., les échantillons D, E et F ren- trent dans la gamme de composition définie par l'inven- tion et F rentre dans le cadre de l'invention quant à la température de chauffage avant le revêtement. Ce tableau montre que l'on obtient seulement des matériaux ayant à la fois une excellente aptitude au formage et une excel- lente résistance à l'oxydation lorsque les trois facteurs que sont la composition de l'acier formant substrat, la température de bobinage et la température de revêtement satisfont aux conditions définies par l'invention. Lorsqu'on compare les échantillons A et B., on voit que la diminution de la teneur en Mn contribue à di- minuer la résistance au fluage. La comparaison de B et C montre que l'addition de Ti contribue aussi à diminuer la résistance au fluage. La comparaison de C et F montre que l'addition conjointe de Ti et Or contribue aussi à diminuer la résistance au fluage. Se Tableau 2 indique les propriétés mécâniques des échantillons d'acier aluminié tirées des aciers ayant la composition de l'invention, traités comme ci-dessus. Ce tableau montre que Or diminue efficacement la résis- tance au fluage lorsqu'il est contenu à raison d'environ 0,05 à 0,50%. Le Tableau 3 montre les propriétés mécaniques et les gains de poids à l'oxydation des échantillons de tÈle d'acier aluminiée tirées des aciers dont la compo- sition est indiquée ici, traités comme ci-dessus. Par ce tableau, on voit que lorsque la quantité de Ti ajoutée est de 0,1% ou davantage et représente plus de 10 fois la quantité de a, on arrive à diminuer la résistance au fluage et le gain de poids à l'oxydation. Mais comme le montre l'échantillon G, lorsque la teneur en Ti dépasse 0,5%, la résistance au fluage augmente à nouveau. le Tableau 4-2 indique les résultats des mêmes essais que ci-dessus, appliqué aux échantillons préparés de la même façon que ci-dessus en partant d'aciers ayant les compositions indiquées au Tableau 4-1. Selon ce ta- bleau, lorsque la température de bobinage et inférieure à 70000, le ramollissement de la matière n'est pas suf- fisant et lorsque la température de chauffage avant revê- tement est de 850 C ou davantage, le ramollissement est remarquable. Des modes de mise en oeuvre préférés de l'in- vention sont décrits ci-après. EXEMPDE 1 Pour obtenir des lingots dont la composition' est indiquée par les échantillons nO 1 et 2 du Tableau , on dégaze sous vide un acier fondu fabriqué au conver- tisseur Linz-Donawitz de manière à diminuer les teneurs en 0 et 0, puis on règle la composition en ajoutant des ferroalliages tels que le ferrochrome, le ferrotitane, le ferromanganèse, etc.. On convertit les lingots en bra- mes et on lamine les brames à chaud pour obtenir des bo- bines d'une tôle de 2,5 mm d'épaisseur, dans les conditions indiquées au Tableau 6. Après décapage, on lamine à froid les bobines pour former des tôles de 0,8 mm. On revêt en- suite ces tôles d'aluminium au moyen d'un appareil de revêtement par immersion à chaud avec recuit en ligne et four non oxydant (appareil Sendzimir modifié) dans les conditions indiquées au Tableau 6. Les propriétés méca- niques et le gain de poids par oxydation des tôles d'acier aluminiées obtenues, déterminés de la façon indiquée plus haut, sont indiqués au Tableau 6. Les deux tôles ont d'ex- cellentes propriétés: faible résistance au fluage et grande résistance à l'oxydation à haute température. EXEMPLE 2 On fabrique par coulée continue après fusion, de la même façon que dans l'exemple 1, des brames dont la composition est indiquée au Tableau 5 par les échantil- lons no 5 et 4. On convertit les brames en tôles alumi- niées de la façon décrite à l'exemple 1. Les propriétés mécaniques et les résultats d'essais des tôles obtenues, déterminés de la même façon que dans l'exemple 1, sont indiqués au Tableau 6. Ces tôles ont d'excellentes carac- téristiques, comparables à celles des tôles de l'exemple 1. Les produits de l'invention conviennent à la fa- brication de pièces de forme compliquée servant à haute température comme les appareils de traitement des gaz d'é- chappement pour moteurs à combustion interne. TABLEAU 1 Oomposition chimique c Mn Ti Or Temp. de bobinage du lami- nage à chaud (oc) Ai Temp. des t8les la- minées à froid lors du revête- ment (oc) Propriétés mécaniques Résis- tance à la trac- tion MPa T en- sion de flua- ge MPa Allon- gement (%) Gain de poids à l'oxy- dation g/m2 Remarques A 0,007 0,27 - B 0,006 0,15 - - 0,03 570 - 0,04 333,4 215,8 323,6 186,3 49 182 acier de comparaison 49 138 acier de comparaison a 0,007 0,13 0,21 - 0,04 D 0,006 0,13 0,23 0,11 0,04 E 0,004 0,11 0,20 0,14 0,03 304,0 147,1 313,8 156,9 304,0 147,1 78 acier de comparaison 48 49 acier de comparaison 51 47 acier de comparaison F 0,005 0,12 0,23 0,13 0,04 304,0 127,5 53 43 acier selon l'invention Echan- tillon o "M 4r C0 0% CD TABLEAU 2 Composition chimique C Mn Ti Cr Ai Propriétés mécaniques Résistance Tension à la de traction fluage Allongement (MPa) (EPa) (%) A 0,007 0,14 0,19 - 0,03 313,8 156,9 acier de comparaison B 0,006 0,15 0,22 0,03 0,05 C 0,004 0,17 0,20 0,07 0,04 D 0,005 0,15 0,18 0,16 0,04 E 0,004 0,13 0,19 0,30 0,05 F 0,007 0,14 0,22 0,42 0,03 G 0,004 0,11 0,19 0,58 0,05 304,0 304,0 313,8 304,0 313,8 313,8 147,1 127,5 127,5 137,3 137,3 166,7 acier de comparaison acier selon l'invention acier selon l'invention acier selon l'invention acier selon l'invention acier de comparaison Echan- tillons Remarques r -'s, O% O -'I on TABLEAU 3, Prouriétés mécaniaues Composition chimique Résistance (%) aà la traction o Ti Or Ti/C (MPa) Tension de fluage (MPa) Allongement (a) Gain de poids à l'oxydation (g/rn2)_ Remarqcues A)0,016 0,13 0,11 8 333,4 186,3 acier de comparaison B 0,011 0,12 0,14 0,007 0,08 11 313,8 0,12 11 323,6 156,9 166,7 acier selon l'invention acier de comparaison D 0,006 0,18 0,11 30 294,2 E 0,007 0,23 0,15 33 313,8 F 0,006 0,34 0,12 57 323,6 G 0,017 0,56 - 0,10 372,7 127,5 137,3 166,7 235,4 acier selon l'invention acier selon l'invention acier selon l'invention acier de comparaison Echan- tillons C r'a- J', 0% C, i TABLEAU 4-1 p 0,008 S 0,006 TABLEAU 4-2 Conditions de laminage à chaud Temp. de Temp. de finissage bobinage (OC) (oc) Temp. des t8les laminées à froid lors du revêtement (Oc) Propriétés mécaniques Résistance Tension àla de traction fluage Allongement (MPa) (MPa) ( 323,6 176,5 323,6 166,7 313,8 147,1 304,0 127,5 294,2 127,5 acier de comparaison acier de comparaison acier de comparaison acier selon l'invention acier selon l'invention 0C 0,006 Si 0,02 1Mn 0,12 Or 0, 10 Ai 0,027 Ti 0,21 Ti/a -1I o' CD 0s TABLEAU 5 Composition chimique (%) Echantillons a Si Mn P S or Ai Ti Ti/C 0,007 0, 006 0,008 0,007 0,02 0,03 0,04 0,05 0,12 0,11 0,13 0,12 0,009 0,008 0,009 0,008 0,009 0,007 0,006 0,007 0,11 0,10 0,14 0,09 0,028 0,034 0,038 0,041 0,19 0,21 0,20 0,22 TABLEAU 6 * Conditions de laminage à chaud Temp. de Temp. de Echan- finissage bobinage tillons (oc),, (oc) Temp. des tôles laminées à froid lors du revêtement (oa) Propriétés mécaniques Résistance Tension àla. de traction fluage Allongement (MPa) (MPa) (%) 304,0 294,2 294,2 304,0 127,5 117,7 127,5 127,5 Gain de poids à l'oxydation (l/m2)L --Il CD c' CD O 4P L474060 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de tôles d'acier aluminiées ayant une faible résistance au fluage et une grande résistance à l'oxydation à haute température, ca- ractérisé par les étapes suivantes: fabriquer un acier dont la composition chimique comprend essentiellement 0,001 à 0,020% de O, 0,05 à 0,30% de Mn, 0,05 à 0,50% de Or, 0,01 à 0,10% d'Al, 0,10 à 0,50% de Ti représentant au moins 10 fois le pourcentage de O, le reste étant formé de Fe et d'impuretés accidentelles inévitables, en appli- quant le procédé ordinaire d'affinage au convertisseur et de dégazage sous vide; convertir cet acier en brame par le procédé ordinaire de coulée et de mise sous forme de brame ou le procédé ordinaire de coulée continue; la- miner la brame à chaud en continu et à la bobiner à une température d'au moins 700 0C; laminer ensuite le produit à froid après le traitement ordinaire de décapage; chauf- fer la tôle à une température d'au moins 8500C et la re- v8tir d'aluminium au moyen d'un appareil de revêtement par immersion à chaud du type avec recuit en ligne comportant un four non oxydant. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la teneur en O est de 0,001 à 0,010%, la teneur en Mn de 0,05 à 0,20%, la teneur en Or de 0,07 à 0,45%, la teneur en Al de 0,02 à 0,05%, et la teneur en Ti est de 0,15 à 0,40% et représente au moins 20 fois la teneur en O. 3. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la teneur en 0 est de 0,001 à 0,007%, la teneur en Mn de 0,10 à 0,17%, la teneur en Or de 0,07 à 0,42%, la teneur en Al de 0,03 à 0,041% et la teneur en Ti est de 0,19 à 0,23% et représente au moins 30 fois la teneur en C; la température de bobinage de la bobine chau- de est de 720 à 7300C et la température de chauffage lors du revêtement est de 860 à 900 00.