Brevet FR2510007A1 — publié le 19830128

La présente invention concerne un procédé pour la production d'acier de fil machine à haute résistance, se prêtant au tréfi- lage direct Plus précisément, elle apporte une solution au problème technique consistant à appliquer la coulée continue pour la production de billettes à partir desquelles on puisse obtenir du fil machine h haute résistance, susceptible d'être tréfilé sans qu'il soit necessa e de le soumettre à des traite- ments thermiques intermédiaire "Haute résistance" dans le présent contexte signifie des résistancesà la rupture par trac- tion de plus de 1000 Nxmm-2 pour le fil machine. On connait des aciers de fil machine à haute résistance, tr.filables directement, ôtais en raison de leur composition, il est très difficile d'exploiter les avantages offerts par les techniques de coulée continue pour les produire Par exemple, le brevet des Etats-Unis N 2 4 123 296 décrit un fil machine à haute résistance, tréfi lable directement, qui contient entre 0,65 et 0,90 % de carbone et entre 0,15 et 1,5 % de chrome Le texte du mémoire de ce brevet ne fait aucune allusion aux techniques de coulée de l'acier, et les problèmes qui résultent de la ségréga- tion du carbone au cours de la solidification n'y sont pris en considération que très brièvement A notre avis, cela signifie ue 'l'acier suivant le brevet des Etats-Unis est coulé selon des techniques classiques en petits lingots En effet, on voit d'une part que la composition de l'acier prévoit des taux de carbone qui dépassent m Ame celui du carbone dans l' eutectoide (aux alentours de 0,80 % dans ces aciers) et qu'en mme temps, elle prévoit des taux de chrome propres à abaisser davantage encore la teneur en carbone de l'eutecto Ide; d'autre part, on sait qu'au cours de la solidification de billettes coulées en 251 C 007 continu, la ségrégation du carbone est beaucoup plus marquée dans la zone axial Ie de la billette Effectivement, avec ce type d'acier, le carbone dans la zone axiale peut facilement attein- dre des concentrations de plus de 1 %, ce oui rend cette zone incontestablement hypereutectoide (Trans ISI J, vol 12, 1972, page 102 sqq). En dépit de traitements thermiques et mécaniques intermé- diaires, cette ségrégation persiste dans le fil machine, bien que sous une forme peut-être atténuée. C'est un fait connu que, dans la gamme desvitesses de refroidissement oui sont praticables d'un point de vue commeer- cial dans la production du fil machine, il se produit une modi- fication marquée des caractéristiaues de transformation par refroidissement continu de la composition hypereutecto 1 de, avec formation de cémentite pro-eutectoîde intergranulaire avant la perlite Cela est confirmé, non seulement par le brevet cité, dans lequel il est dit que la limite supérieure de la teneur en carbone est fixée par la nécessité d'éviter la formation de cé-mentite pro-eutectoide, mais aussi par la publication de l'University of Michigan, "Transformr:ation and Hardenability of Steels Symposium", 1967, pages 155-157 et p:ar l'Atlas du Max Planck Institut, vol 2, planches 225 B, 241 E, 120 N et 121 L. La présence de cémentite intergranulaire dans une matrice principalement perlitique emp che que le fil machine obtenu de cette manière puisse être tréfilé directement: il doit être trempé au plomb afin d'éliminer la cémentite interranulaire. en raison de la formation de cavités en chevron caractéristicues dans le réseau de cémentite au cours de l'étirage à froid Ces défauts aboutissent aux fractures typiques en coupe du fil lors de la phase ultérieure de tréfilage, au cours d'autres opéra- tions et/ou à l'usage Il est donc impossible de commercialiser et d'utiliser le produit aux niveaux de qualité désirés et exigés Btant donné que les hautes résistances de ces aciers proviennent précisément de la forte teneur en carbone, il sen- blerait donc qu'avec la tendance marquée du carbone a la ségrégation au cours de la coulée continue, ce procédé soit très difficile à appliquer. Des expériences menées au cours des recherches aui ont abouti à la présente invention ont confirmé qu'il existe de sérieux problèmes d'aptitude au tréfilage avec le fil machine à haute résistance et, par suite, à forte teneur en carbone (C 0,80 %), du fait que celui-ci a de fortes chances de se rompre lors du tréfilage, en conséquence directe de la ségnéga- tion axiale de la matière. Le but de la présente invention est d'apporter une solution oui réduise au minimum le problème de la ségrégation du carbone lors de la solidification d'acier coulé en continu, de manière à éviter la formation de cémentite pro-eutectolde intergranu- laire dans le fil machine. Un autre but de l'invention est de modifier la structure de solidification de l'acier coulé en continu, de manière à réduire au minimum ou à éliminer complètement les difficultés typiques telles que les "ponts de solidification" et la porosit é centrale, qui aboutissent elles aussi à une ségrégation locale. Un autre but encore de l'invention est de fournir une cor m- position d'acier qui, bien (que se situant dans des ga imes connues de dosage des constituants, rende possible la coulée en continu, tout en éliminant les problèmes résultant de la ségrégation et en assurant de hautes résistances du fil machine et des produits fabrioués à partir de celui-ci. D'après l'un des aspects de la présente invention, il est nécessaire d'intervenir dans le procédé de coulée continue, de manière à réduire au minimum la ségrégation du carbone dans la zone axiale de la billette. Il existe également d'autres problèmes liés au procédé de coulée continue, qui surviennent au cours de la fabrication de fil machine et qui peuvent compliquer les choses En effet, étant Aonné oue le produit final est une barre ronde de petite section transversale, il est évident qu'il serait avantage'ux de produire des billettes coulées en continu de petite section transversale, de façon à réduire les frais ultérieurs de laminage Toutefois, en raison de l'utilisation de busettes à décharge constante et, par suite, sans l'aide de quenouilles, la coulée de billettes de petite section exige, par rapport à la température de solidifi- cation, un degré de surchauffage (/T) qui est beaucoup plus Alevi que ce qui est nécessaire pour la coulée de blooms de grand calibre Ce surchauffage prolonge les temps de solidification de la billette et, en raison de la tendance à la solidification dans la coulée continue, aggrave le problème de ségrégation. Il a été découvert que, dans le cas particulier de billet- tes pour fil machine, l'application de la technique consistant à ajouter des poudres ou grains de métal dans le moule techni- que qui est connue par exemple d'après les demandes de brevet italien n 48510 A/73, 49007 A/77 et 49008 A/78 déposées par quelques-uns des auteurs de la présente invention ne fait oas Qu'accélérer la solidification, selon ce oui est indiqué dans ces demandes de brevet, en absorbant une partie-ou la totalité de la chaleur de surchauffage, mais fournit aussi un nombre considéra- ble de noyaux de solidification, ce oui oermet d'obtenir une structure à grains fins Eéoiaxes, en évitant ainsi la formation de ros cristaux de structure basaltique, s'étendant depuis la peau de la billette vers le centre De cette manière, il est possible d' éviter la formation des %"ponts:e solidification" oui sont à l'origine de ségrégation dans des zones restreintes, et de réduire de façon marquée la formation de oorosité axlale et de cavités Le résultat global est une réduction notable de l'intensité et de la distribution de la ségrégation, plus comme mentionné ci-dessus la formation d'une structure de solidifi- cation qui est plus favorable à l'obtention d'un ielleur produit final. Différents choix peuvent être faits, quant aux quantités, aux types et aux compositions des additions en poudre ou en prains, selon le modèle de la m achine de coulée continue, le format du produit final et la qualité de celui-ci. De façon générale, on peut dire que la grosseur des poudres peut se situer entre 0,01 et 1 mm, tandis que les grai:s peuvent être compris dans la gamme de O,1 à 2,5 mn La proportion de métal ajouté est de l'ordre de O,1 à 5 % en poids par rapport à la fonte d'acier, tandis que la teneur en carbone des addi- tions en poudre ou en grains se situe entre 0,05 et 2 % en poids. Les gammes granulométriques indiquées n'ont aucune influ- ence du point de vue du procédé Le chiffre inférieur, dans le cas des poudres, indique simplement une limite pour une applica- tion économique aisée, tandis que le chiffre supérieur relatif aux grains indique la limite de solubilité facile de la matière solide dans le métal en fusion. La gaminme donnée pour la proportion de métal ajouté est significative, en ce sens qu'une addition de moins de O,1 % n'a guère d'effet sur la ralité du oroduit, alors qu'une addi- tion de plus de 5 % de métal solide, avec les formats usuels des bi Ilettes et dans les conditions normales de surchauffage, ne se dissout pas conmpltement dans la masse fondue, ce qui fait oue des points de discontinuité sont formés. La petite quantité de poudre ajoutée ne modifie guère la composition de l'acier Toutefois, si une ségrégation marquée du carbone est à craindre, en raison du format des billettes, de la composition de l'acier ou du surchauffage, l'addition de métal solide à faible teneur ou à très faible teneur en carbone, au voisinage de la limite supérieure, favorise grandement la redistribution et l'homogénéisation du carbone dans la billette. Enfin, de façon déjà comnnue en soi, les additions solides peuvent être également utilisées pour introduire des éléments d'alliage, tels que Cr et A 1 par exemple, afin de régler la composition ou même pour obtenir un bon alliage. D'après un autre aspect de la présente invention, il est désirable de donner une composition particulière à l'acier fondu, de manière à réduire encore les problèmes de ségrégation, tout en maintenant une haute résistance mécanique du fil machi- ne et des produits qui en dérivent La teneur en carbone est donc limitée à la gamme de 0,68 à 0,76 % et la haute résistance mécanique est restituée par l'addition de chrome dans une pro- portion comprise entre 0,20 et 0,50 %. Les raisons de ces limites analytiques proviennent du fait qu'au-dessous de 0,68 % de carbone, on obtient des valeurs peu satisfaisante de la résistance mécanique, tandis qu'au-delà de 0,76 % de carbone, il peut se produire des phénomènes indésira- bles de ségrégation dans le fil machine Pour ce qui est du chrome, une addition de moins de 0,20 % ne garantit pas les résultats voulus, tandis qu'avec plus de 0,50 %, la part du carbone dans la composition de l'eutectoide baisse encore, d'o il résulte que la ségrégation du carbone, inévitable bien que minime, pourrait aboutir à la formation de cémentite pro-eutec- toide intergranulaire au moment o le fil machine est refroidi, ce qui annulerait les avantages de la présente invention. Un certain nombre de bains de fusion à usage commercial ont été préparés, puis étirés en fil machine de 11,5 mm de diamètre et en fil d'environ 4 mm de diamètre Les compositions des aciers étaient les suivantes. Bain de fusion O % Cr% ?n% Sif A 1 S% J% A 0,65 0,40 0,80 0,25 0,065 0,010 0,019 Q B 0,70 0,30 0,78 0,25 0,062 0,011 0,018 C 0,71 0,50 0,80 0,25 0,064 0,010 0,019 D 0,75 0,40 0,80 0,26 0,061 0,010 0,CO O B 0,75 0,60 0,80 0,25 0,064 0,010 0,019 F 0,80 0,30 0,81 0,30 0,050 0,013 0,018 Les résultats obtenus après laminage et tréfilage direct ont été les suivants Bain del Fil machine R Nxmm 2 Fil R Nxmm-2 33 -2020 Toron ' R Nxmm-2 Aptitude au tréfilage Bonne Très bonne Très bonne Très bonne Mauvais e Mauvaise Défauts de tréfilage Aucun Aucun Aucun Fracture en cupule Fracture en cupule Comme on peut le voir' manifestement, analytique très n'est possible, étroite qui a été indiquée hii l'obtenir les résultats en dehors de la ganmme précédemment, il vo-ulus quant à la qualité, ni de tréfiler directement le fil machine En particu- lier, il est visible qu'avec 0,65 % de carbone, même avec une teneur en chrome relativement élevée, la résistance voulue n'est pas atteinte, tant dans le fil machine que dans le fil tréfilé, tandis qu'avec plus rle 0,76 % de carbone ou plus de 0,50 % de chrome, l'aptitude au tréfilage devient mauvaise et il peut se produire des ruptures du fil. fusion A B C D F REVENDICATION - 1. Procédé pour la production d'acier de fil machine à haute résistance se prêtant au tréfilage direct, caractérisé en ce que la composition de l'acier de départ, généralement connue en soi, est limitée à une gamme de la teneur en carbone de 0,68 à 0,76 % en poids et à une gamme de la teneur en chrome de 0,20 à 0,50 % en poids, et en ce que l'acier fondu est coulé en continu sous forme de billettes, tandis que de l'acier solide, sous forme de poudre ou de grains, est ajouté au moule dans des proportions comprises entre 0,1 et 5 % en poids de la fonte d'acier liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gamme granulométrique choisie pour l'acier solide se si- tue entre 0,01 et 1 mm pour les poudres et entre 0,1 et 2,5 mm pour les grains. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur en carbone de l'acier solide ajouté se situe dans la gamme de 0,05 à 2 % en poids.