Brevet FR2493191A1 — publié le 19820507

La présente invention est relative à des cylindres de travail pour laminage à froid de métaux ferreux et non ferreux, qui sont du type composite et obtenuspar coulée. On utilisait antérieurement, pour la fabrica- tion de tels cylindres de travail pour laminage à froid, des cylindres en acier forgé trempé à l'eau dans des nuances à carbone de 0,8 à 0,9 % et à chrome de 1,8 à 3 %. Ces cylindres forgés doivent avoir une parfaite santé interne pour supporter les tensions considérables induites lors de la trempe martensitique par un refroi- dissement brutal à l'eau. Dans certains cas, notamment lorsqu'on recher- che de très fortes profondeurs de trempe, les tensions internes induites par le traitement de trempe sont telles qu'il peut ertre nécessaire de recourir à une refusion sous laitier, afin d'obtenir une cristallisation parfaite. La teneur en chrome de ces cylindres peut alors atteindre à 7 %. Une compétition s'est engagée entre forgerons pour accroître la profondeur de trempe, afin d'augmenter la partie utilisable du cylindre dans le laminoir, sans avoir à le retremper. Ainsi, de 30 mm il y a une dizaine d'années on est passé à une partie utilisable de 70 mm sur le diamètre. Cette compétition n'a néanmoins pas apporté d'amélioration sensible en ce qui concerne la résistance à l'adoucissement qui caractérise, dans une certaine mesure, la résistance aux incidents de laminage. Plus récemment, les fabricants de cylindres moulés ontintroduit sur le marché un nouveau type de cylindre constitué d'une couche externe en fonte à haute teneur en chrome et d'un coeur en fonte lamellaire ou nodulaire. Ces cylindres, qui se caractérisent tout à la fois par une haute résistance à l'adoucissement, et donc 2. aux incidents, et par une forte possibilité d'utilisa- tion sur le diamètre ( >70 mm), prennent sur le marché une place de plus en plus importante, venant ainsi concurrencer les cylindres forgés réalisés Jusqu'alors. Ces cylindres en fonte à haute teneur en chrome, dont les duretés atteignent celles des cylindres en acier forgé trempé à l'eau, présentent cependant des inconvénients qui en freinent l'utilisation dans les laminoirs: - Ils présentent une grande difficulté de rec- tification. En effet, la durée de rectification de ces cylindres entre deux montages de laminage atteint, pour une même retouche, un temps au moins double de celui d'un cylindre en acier forgé. - Ils sont plus difficiles à grenailler que les cylindres forgés. On peut m9me noter qu'il est parfois impos- sible, notamment lorsque les cylindres en acier moulé sont très durs, d'obtenir de fortes rugosités. La présente invention vise à remédier à ces deux inconvénients importants, tout en conservant les qualités inhérentes à ce type de cylindres obtenus par moulage, dont les qualités essentielles sont une bonne résistance à l'adoucissement et une grande profondeur de la partie utilisable sur le diamètre. La présente invention a ainsi pour objet un cylindre composite bimétallique pour laminage à froid obtenu par moulage, caractérisé en ce qu'il comprend un métal de coeur constitué d'une fonte nodulaire ou lamel- laire et un métal d'enveloppe constitué d'un acier ayant une teneur en chrome de 8 à 16 5X et en carbone de 0,65 à 0,95 %, le rapport chrome/carbone étant compris entre il à 16 et la structure du métal d'enveloppe étant mar- tensitique avec une teneur en austénite résiduelle inférieure à 10 %. 3. La structure du cylindre métallique, dont la composition est définie précédemment, est obtenue par un procédé de traitementthermique qui consiste tout d'abord à soumettre le cylindre à un traitement d'aus- ténitisation à une température supérieure à 900 C pen- dant un temps de 8 à 24 heures, puis après trempe à l'air soufflé arrêtée à une température de 450 à 550 C, on maintient la température à 500-550 C pendant 8 à 24 heures, on refroidit alors le cylindre par trempe à l'air jusqu'à la température ambiante et on soumet enfin le cylindre à un revenu pour réactivation de l'austénite à une température comprise entre 400 et 450 C pendant un temps de 8 à 24 heures. Le traitement d'austénitisation est de préfé- rence conduit à une température comprise entre 1000 et 1050 C, pendant un temps de 8 à 24 heures. Le cylindre est ensuite soumis à une trempe par soufflage d'air ambiant, qui est de préférence arrêtée lorsque la tem- pérature du cylindre atteint 500 à 520 C. On maintient alors le cylindre, pendant 8 à 24 heures, dans une en- ceinte portée à la température indiquée précédemment de 500 à 5500C, afin d'équilibrer les températures entre coeur et peau. On ramène alors la température du cy- lindre à la valeur de la température ambiante par une nouvelle trempe à l'air. Le cylindre est enfin soumis à un traitement de revenu à une température com- prise entre 400 et 450 C, pendant 8 à 24 heures. Les cylindres définis précédemment, ayant les compositions et obtenus à la suite des traitements ther- miques définis ci-dessus présentent les cinq propriétés essentielles suivantes: 1 - Utilisation de millimètres utiles jusqu'à sur le diamètre. 2 - Résistance à l'adoucissement à chaud exceptionnelle au moins jusqu'à 450 C. 3 - Haute dureté pour éviter les marques et augmenter la tenue du grenaillage. 24:93191 4. 4 - Facilité de rectification égale à celle des cylindres en acier forgé. - Facilité de grenaillage avec obtention aisée de fortes rugosités. Ces cinq propriétés réunies sur un seul type de cylindre constituent un progrès notable par rapport à l'état actuel de la technique, qui ne permettait pas jusqu à présent de concilier tous ces avantages. Le cylindre composite selon la présente in- vention comporte une couche de métal d'enveloppe ayant une épaisseur de 30 à 70 mm, qui est de préférence réa- lisée par centrifugation. Ce métal d'enveloppe est un acier à haute teneur en chrome et en carbone, présentant de préférence la composition suivante: C Si Mn Cr Ni Mo V % 6 024 0o 4 8 _050 0SoL0 o,95 o,6 o,8 il 0,7max. 1,50 1 Le métal de coeur est de préférence une fonte nodulaire ayant la composition suivante: C Si Mn Ni Cr 2,90 150 0,40 Mo52 3,20 2,50 1 2 Les composition et traitements thermiques dé- finis ci-dessus permettent d'expliquer l'obtention des cinq propriétés énoncées précédemment pour les raisons suivantes. 1. Forte couche utile (jusqu'à 100 mn sur le diamètre) Ceci est obtenu à l'aide d'une transforma- tion martensitique sur toute l'épaisseur utile et, grâce à des tensions internes induites maintenues au plus bas niveau. La transformation martensitique est obtenue par refroidissement à l'air et l'effet de trempe est limité par la liaison de la couche utile du métal d'enveloppe avec un métal de coeur donnant lors du refroidissement à l'air une transformation perlitique. 5. Le métal de coeur, peu allié, est donc cons- titué d'une fonte nodulaire ou lamellaire qui permet d'ob- tenir tout à la fois de bonnes caractéristiques mécaniques et une bonne cristallisation, ces deux propriétés étant essentielles pour supporter les contraintes de traction induites par la trempe martensitique du métal d'enveloppe. 2. Résistance à l'adoucissement à chaud L'analyse du métal d'enveloppe est choisie avec une composition voisine de celle de la matrice des cylindres de travail à froid en fonte à haute teneur en chrome antérieurement utilisée dans la technique. Les revenus utilisés sur la nuance d'acier très alliée selon la présente invention ne conduisent pas à une transfor- mation de l'austénite en bainite, mais à une réactivation de l'austénite résiduelle qui se transforme, lors du refroidissement, en martensite. Pour obtenir la réactivation de l'austénite résiduelle, il est nécessaire de monter à des tempéra- tures de plus de 4000C, sans pour autant que la marten- site de trempe soit fortement adoucie. 3. Hautes duretés Après trempe à l'air, le nouveau cylindre composite selon la présente invention permet d'atteindre une dureté de 700 EV (dureté Vickers) avec une teneur en austénite résiduelle de 30 à 40 Y. Après revenu, la réactivation de cette aus- ténite permet d'obtenir des duretés de 760 à 800 IUV. Ces niveaux de haute dureté sont ceux que l'on obtient habi- tuellement en laminage à froid avec des cylindres en acier forgé traditionnel. 4. Facilité de rectification Cette propriété est obtenue par l'élimina- tion de la présence de carbures lédéburitiques du type M7C3 qui étaient antérieurement présents dans les cy- lindres moulés selon la technique antérieure. En effet, on peut expliquer le comportement singulier à la rectification et au grenaillage de ces 6. cylindres selon la technique antérieure, comme étant la conséquence de la présence dans la structure de la fonte d'une forte quantité de carbures de chrome du type M7C3 dont la dureté individuelle peut atteindre 1700 HV. Ces carbures, solidement enchâssés dans une matrice marten- sitique également dure (700 HV), s'opposent évidemment à l'abrasion de la meule, ainsi qu'à la déformation de la grenaille, qui n'atteint pas, loin s'en faut, leur dureté (la grenaille la plus dure atteint 900 à 940 RW). L'étude du comportement en service de ces cylindres en fonte à haute teneur en chrome, selon la technique an' térieure, a permis de conclure que la phase de carbures du type M7C3 ne jouait pas un r8le important au cours du laminage, mais provoquait, par contre, les inconvé- nients constatés lors de la rectification et du grenail- lage. La composition du nouvel alliage selon la pré- sente invention est calculée, notamment en ce qui con- cerne la teneur en carbone et en chrome, pour atteindre une composition légèrement hypereutectoIde, afin d'évi- ter la présence de ces carbures lédéburitiques nuisibles. 5. Facilité de grenaillage, notamment pour les fortes rugosités Là, également l'absence des carbures massifs de type M7C3 très durs permet un meilleur travail de dé- formation plastique de la grenaille projetée, ainsi que cela a été expliqué ci-dessus. L'étude de la composition de l'alliage d'enveloppe du cylindre selon la présente invention, dont le carbone et le chrome constituent les deux élé- ments principaux, permet de dégager les conclusions suivantes. On peut considérer que le chrome présente un coefficient de carbone équivalent de 0,05. Il apparatt ainsi que la composition légè- rement hypereutectoîde de l'alliage est donc équivalente, en oe qui concerne l'apparition de la lédéburite à un 7. acier de composition 0,7 + 11 x 0,05 = 1,25 % de carbone pour la teneur maximale en chrome. On vérifie ainsi que cette teneur est à la limité inférieure de l'apparition d'un réseau de carbures lédéburitiques. Par ailleurs, pour obtenir les propriétés de résistance à l'adoucissement à chaud, il est nécessaire d'avoir uné teneur en chrome suffisante dans la matrice. Le meilleur rapport Cr, qui détermine avec la tempéra- c ture d'austénitisation la teneur en chrome de la ma- trice, a été déterminé expérimentalement sur toute une série d'alliages carbone-chrome, et doit être de préfé- rence compris entre il et 16. Les autres éléments, à savoir Si et Mn, se trouvent dans les fourchettes habituelles des analyses des aciers moulés. Le nickel et le manganèse sont volontairement limités à 0,7% pour éviter leur effet stabilisant sur l'austénite résiduelle. Le molybdène et le vanadium améliorent la ré- sistance au revenu de l'austénite et se trouvent dans les teneurs habituelles des aciers de travail à froid au chrome (classes 80 et 90 de la classification amé- ricaine). On obtient ainsi de nouveaux cylindres compo- sites bimétalliques moulés présentant une résistance à l'adoucissement exceptionnelle par revenu de la matrice. A titre d'exemple, un cylindre selon la pré- sente invention a été réalisé à l'aide d'un métal d'en- veloppe et d'un métal de coeur ayant les compositions suivantes. Analyse du métal d'enveloppe C. Si. Mn. S. P. Cr. Ni. Mo. V. 0,715 0,470 0,705 0, 025 0,020 9,60 o,68 1,150 0,535 8. Analyse du métal de coeur fonte (nodulaire) C Si Mn S P Cr Ni Mo Mg 3,02 2,42 0,48 0,008-0,022 0,10 0,50 - 0,055 Le cylindre ainsi obtenu est soumis à un trai- tement d'austénitisation pendant 24 heures à 1000C, puis à une trempe à l'air soufflé qui est arrêtée à une température de 520 C. On maintient alors la température du cylindre à une valeur de 520 C pendant 20 heures, puis on refroidit le eylindre jusqu'à la température ambiante par trempe à l'air. Il présente une dureté après trempe de 692 HV et une teneur en austénite de 40,6 5. On soumet alors ce cylindre à un revenu à une température supérieure à 4000C, pendant 20 heures, qui permet d'obtenir à l'issue du traitement une dureté de 780 HV sur 50 mm au rayon. Ce cylindre a été utilisé pour le laminage à froid de tôles fines et a confirmé les avantages énoncés précédemment dans le cours de la description. 9. REVENDICATIONS 1. Cylindre composite bimétallique pour lami- nage à froid obtenu par moulage, caractérisé en ce qu'il comprend un métal de coeur constitué d'une fonte nodu- laire ou lamellaire et un métal d'enveloppe constitué d'un acier ayant une teneur en chrome de 8 à 16 % et en carbone de 0,65 à 0,95 %, le rapport chrome/carbone étant compris entre il et 16 et la structure du métal d'en- veloppe étant martensitique avec une teneur en austénite résiduelle inférieure à 10 %. 2. Cylindre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le métal d'enveloppe a une épaisseur de à 70 mm environ. 3. Cylindre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal d'enveloppe a la composi- tion suivante: C Si Mn Cr Ni Mo V 0,65 0,4 0,4 8 - 0,50 0,10 0,95 0,6 0,8 ll 0,7 max. 1,50 1 4. Cylindre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal de coeur est une fonte nodulaire ayant la composition suivante: C Si Mn Ni Cr 2,90 1,50 0,40 0,50 % - - Ko,15 3,20 2,50 1 2 5. Procédé de fabrication d'un cylindre selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce qu'on coule tout d'abord par centrifugation une couche de métal d'enveloppe en acier ayant une teneur en chrome de 8 à 16 %, en carbone de 0,65 à 0,95 % et un rapport chrome/carbone compris entre ll et 16, puis un noyau de métal de coeur en fonte nodulaire ou lamellaire et on soumet le cylindre à un traitement d'austénitisa- tion à une température supérieure à 900 C pendant un temps de 8 à 24 heures, puis après trempe à l'air soufflé 10. arrêtée à une température de 450 à 550 C, on maintient la température à 500-550 C, pendant 8 à 24 heures, on refroidit alors le cylindre par trempe à l'air soufflé jusqu'à la température ambiante et on soumet enfin le cylindre à un revenu pour réactivation de l'austénite à une température comprise entre 400 et 450 C pendant un temps de 8 à 24 heures. 6. Procédé selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le traitement d'austénitisation est de préférence réalisé à une température de 1000 à 1050 C et la trempe est de préférence arrêtée à une température comprise entre 500 et 520 0C.