Brevet FR2501239A1 — publié le 19820910

Tôle d'acier au silicium non orientée avec propriétés magnétiques stables. La présente invention concerne une tôle d'acier au silicium non orientée de haute qualité et plus particulièrement une tôle d'acier au silicium non orientée présentant des propriétés magnétiques excellentes, acier qui contient 1,5 à 3,5% de Si, pas plus de 0,015% de C et pas plus de 0,08% d'aluminium soluble à l'acide (appelé ci-après "Al sol") et auquel on ajoute B pour obtenir un rapport équilibré de B à N et qui contient de plus un élément des terres rares. Parmi les tôle: d'acier au silicium constituant des matériaux magnétiques doux, on connait les types suivants: une tôle d'acier au silicium à grain orienté présentant une texture d'ensemble recristallisée exprimée cristallographiquement par (110) foogayant son plan (110) dans le plan de laminage et son orientation 001 dans la direction de laminage et un acier au silicium non orienté avec une orientation négligeable. Ces matériaux sont utilisés pour les noyaux de fer des dispositifs électriques et sont choisis pour des applications spécifiques en fonction de leurs propriétés (magnétique, mécanique, etc.) et de leur coût de production. Par exemple une tôle d'acier au silicium à grain orienté est généralement utilisée pour les transformateurs et les pièces polaires de grande capacité nonobstant son coût élevé parce qu'elle présente des propriétés magnétiques excellentes. A savoir, elle est très facilement magnétisable dans la direction de laminage, c'est-à-dire dans la direction 5 012 ,a une très faible valeur des pertes dans le è22 et a une très grande perméabilité. D'autre part, cependant, une tôle d'acier au silicium non orientée est habituellement classée dans les deux types suivants: tôle d'acier au silicium non orientée de qualité inférieure ayant une teneur en silicium entre sensiblement 0 et 1,5% et tôle d'acier au silicium non orientée de qualité supérieure contenant plus de 1,5% de silicium. Du fait que ces matériaux ont une orientation tellement faible qu'elle est négligeable et qu'ils sont d'un faible prix, ils sont largement utilisés pour des moteurs électriques de petites dimensions, les transformateurs de dimensions moyennes et les machines rotatives moyennes à importantes. La propriété caractéristique requise des tôles d'acier au silicium non orientiées est une faible valeur des pertes dans le fer. Les pertes dans le fer résultent principalement de la perte par hysterésis et de la perte par courants de Foucault. Dans une tôle-d'acier au silicium non orientée, la perte par hystérésis est réduite le plus efficacement en produisant un grain cristallin grossier et la perte par courants de Foucault peut être réduite en accroissant la résistance spécifique de l'acier,en d'autres mots en ajoutant un élément d'alliage tel que Si ou similaire. Un moyen pour accroître la dimension du grain cristallin consiste à effectuer un recuit à haute température, effectué pendant une durée prolongée. Ceci est cependant désavantageux économiquement. De plus, du fait qu'on effectue habituellement le recuit en continu, il est difficile d'obtenir des longues durées de recuit. Le grossissement inhibé de la dimension du grain cristallin est connu pour être lié étroitement aux inclusions dispersées et aux précipités. La dimension des inclusions et des wrécipi- tés et leur état de dispersion sont très importants. Il est considéré en général que la présence de nombreuses inclusions fines et de nombreux précipités, n'est pas bénéfique pour le grossissement cristallin. Comme substances contenues dans la phase dispersée dans une tôle d'acier au silicium non orientée, on peut mentionner différents oxydes tels que A1203, Si02 et similaires, et différents sulfures et nitrures tels que MnS et A1N. En ce qui concerne les oxydes, il est seulement nécessaire de les collecter et de les mettre en flottation sous forme de produits désoxydés au cours du stade de préparation de l'acier et d'empêcher leur oxydation au moment de la coulée de l'acier fondu dans les lingotières. En raison des progrès récents dans les techniques sidérurgiques, l'inclusion d'oxydes peut être facilement empêchée. Une méthode largement utilisée pour lutter contre les sulfures consiste à effectuer une désulfuration soignée au cours du stade de fabrication de l'acier tandis qu'en même temps on ajoute une quantité convenable de Mn ou similaire et à maintenir la température de chauffage de la brame avant le stade de laminage à chaud à une valeur suffisamment faible pour que MnS puisse être transformé en une substance non nuisible pour le grossissement des grains cristallins. En raison de l'utilisation de ce procédé, les sulfures ne posent pas de problème. Pour maintenir à un faible niveau l'inclusion des nitrures, il est préférable de maintenir la teneur en azote aussi basse que possible au cours du stade de fabrication de l'acier. I1 est cependant très difficile de réduire d'une manière constante la teneur en azote dans l'acier au silicium à moins de l0ppm et, en général, il contient environ 30ppm d'azote. La combinaison de N avec l'Al utilisé pour désoxyder ou avec llAl contenu dans l'alliage au silicium, se traduit par la formation d' A1N. Comme une teneur en Al dans la gamme de 0,005 à 0,15% est nuisible pour le grossissement des grains cristallins, il a été usuel, dans la production des tôles d'acier au silicium non orientées de qualité inférieure contenant moins d'environ 1,0 à 1,5% de Si, de réduire autant que possible l'Al utilisé pour la désoxydation, de préférence à moins de 0,005%. D'autre part, dans la tôle d'acier au silicium non orientée de qualité supérieure contenant plus qu'environ l,0 à 1,5% de Si, la teneur en Al est contrôlée pour être supérieure à 0,15% et A1N est précipité sous une forme non nuisible pour le grossissement des grains cristallins lorsque la brame d'acier est chauffée. Cependant, dans le cas précédent, il se produit des inconvénients tels qu'une désoxydation insuffisante au cours du stade de préparation de l'acier ou l'apparition de défauts sur la surface de la tôle d'acier. Dans ce dernier cas, le coût de production s'accroit inévitablement en raison de la consommation d'une grande quantité d'Al coûteux. Comme procédé efficace pour stabiliser la désoxydation au cours du procédé de fabrication de l'acier, tout en évitant un relèvement du coût provoqué par l'utilisation de grandes quantitésil'lll, les inventeurs ont mis au point précédemment un procédé peu coûteux pour la fabrication de tôles d'acier au silicium non orientées ayant une excellente valeur des pertes dans le fer par addition de B. I1 a été trouvé cependant que, lorsque la tôle d'acier ayant une teneur en C très faible (0,015% ou moins), est produite par cette méthode, le produit n'est pas entièrement uniforme en ce qui concerne ses propriétés magnétiques. En conséquence l'un des buts de la présente invention est de fournir une tôle d'acier au silicium non orientée présentant des propriétés magnétiques uniformes dont la teneur en B est contrôlée pour obtenir un rapport spécifique de B à N et qui contient de plus au moins un élément des terres rares. La présente invention a en conséquence pour objet une tôle d'acier au silicium non orientée présentant des propriétés magnétiques uniformes contenant essentiellement 0,015%, de préférence 0,010% de C, 1,5 à 3,5% de Si, 0,05% à 1,0% de Mn, 0,005 à 0,08% d'Al soluble à l'acide, ga 0,015% de S, 0,010% de O, 0,005% de N, B sous une quantité telle que le rapport de B à N soit dans la gamme de 0,4 à 2,0 et 0,001 à 0,02% d'au moins un élément des terres rares, le reste étant du fer et les impuretés inévitables. D'autres buts de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels La figure 1 est un diagramme montrant la relation entre la teneur en Si et le rapport du nitrure précipité à l'azote total; la figure 2 est un graphique montrant la relation entre la teneur en Ce et la valeur des pertes dans le fer et la figure 3 est un diagramme expliquant la variation des pertes dans le fer. La présente invention a pour but d'obtenir une tôle d'acier au silicium non orientée ayant des propriétés magnétiques uniformes présentant la composition indiquée précédemment. A la suite de recherches détaillées effectuées par les inventeurs sur le comportement à la précipitation du nitrure dans la zone à très bas carbone (0,015% ou moins), il a été trouvé que, dans un acier contenant 1,5% ou plus de Si, en particulier 2,0% ou plus de Si, et 0,010% ou moins de C, la quantité d'azote précipité sous forme de nitrure dans la tôle d'acier laminée à chaud est très faible, comme illustré dans la figure 1. La figure 1 est un graphique montrant la relation entre le rapport (%) du précipité de nitrure à l'azote total et la teneur en Si (%) La compositioin chimique de l'échantillon est telle que C > 0,010%, Al souluble de 0,003 à 0,050%, N Ainsi on a supposé qugune précipitation insSs sante du nitrure dans la tôle d'acier laminée a chaud était la cause de la variation de la valeur des pertes dans le fer dans la zone à très bas carbone. Sur la base de cette suppositon, les inventeurs ont efectué des recherches qui ont amené à la découverte que la tendance à une légère variation de la valeur des pertes dans le fer peut etre éliminée et que les propriétés magnétiques peuvent être rendues uniformes par la méthode qui consiste à ajouter B à l'acier au silicium ayant une très faible tenseur en carbone et une faible teneur en aluminium soluble, de manière à ce que le rapport de E sur N soit compris dans une gamme spécifi- que et, de plus, en amenant une petite quantité d'un élément des terres rares à coexister avec ceux-ci. La présente invention sera maintenant décrite en détail. L'acier utilisé pour produire un matériau magnétique conforme à la présente invention est fondu dans un four d'affinage de l'acier, par exemple dans un four électrique, un four Siemens-Martin, un convertisseur ou similaire et ensuite, si nécessaire, il est affiné à nouveau dans un four d'affinage sous vide pour réduire sa teneur en carbone à 0,0158 ou moins, après quoi les quantités requises d'Al, de Si, de Mn, de B et de l'élément des terres rares y sont ajoutées. La teneur en C de l'acier est contrôlée pour qu'elle ne soit pas supérieure à 0,0158 en décarburant dans le stade de traitement suivant puisque C exerce un effet détériorant sur les propriétés magnétiques et le vieillissement magnétique. Si la teneur en C dépasse 0,015%, la durée requise pour la décarburation se trouvera prolongée, ce qui provoquera un inconvénient économique. La teneur en Si est contrôlée conformément au niveau recherché des pertes dans le fer. Si la teneur en Si dépasse cependant 3,5%, la propriété de laminage à froid de l'acier est détériorée. Comme la présente invention vise à la production de tôles d'acier au silicium non orientées de haute qualité, la teneur en Si est spécifiée comme se trouvant dans la gamme de 1,5 à 3,5%. Al est ajouté pour désoxyder l'acier et une teneur en Al soluble inférieure à 0,005% se traduit par une désoxydation insuffisante. De plus une teneur en Al soluble insuffisante provoque des problèmes dans la coulée des lingots, se traduit par un accroissement des lignes superficielles sur la surface du produit en acier et provoque de faibles rendements de B et de l'élément des terres rares. En conséquence, la teneur en Al est précisée comme n'étant pas inférieure à 0,005%. Par contre cependant une grande quantité d'Al se traduira non seulement par un accroissement du coût mais elle efface l'effet de l'addition de B et de l'élément des terres rares. En conséquence, la teneur en Al ne doit pas être supérieure à 0,08%. La gamme préférable de la teneur en Al soluble est de 0,015% à 0,050%. Mn est ajouté sous une quantité qui n'est pas inférieure à 0,05% afin d'éviter la cassure fragile au cours du stade de laminage à chaud et pour compenser la résistance spécifique de l'acier en raison de la faible teneur en Al, de manière à réduire les pertes dans le fer. D'autre part, la limite supérieure de Mn est fixée à 1,0% parce que les propriétés magnétiques de l'acier sont dégradées par une quantité excessive de Mn. Comme S est nuisible pour les propriétés magnétiques, il est fixé comme n'étant pas sous une teneur supérieure à 0,015% et de préférence non supérieure à 0,007%. En général puisque O agit pour détériorer les propriétés magnétiques et entraine une consommation inutile de B et de l'élément des terres rares, il est limité pour ne pas être sous une teneur supérieure à 0,010%. Si N dépasse 0,005%, il agit pour détériorer les propriétés magnétiques et provoque un inconvénient économique en accroissant la teneur nécessaire en B décrite ci-après. De ce fait, la limite supérieure de la teneur en N est fixée à 0,005%. La teneur B de l'acier est contrôlée pour amener le rapport en poids de B à N à se trouver dans une gamme spécifique. A savoir le rapport en poids de B à N est fixé comme tombant dans la gamme de 0,4 à 2,0 puisque les pertes dans le fer s'accroissent lorsque ce rapport tombe au dessus ou en dessous de cette gamme. Lorsque l'élément des terres rares décrit ci-après' est également présent, la gamme préférentielle du rapport B/N du point de vue de la réduction des pertes dans le fer est comprise entre 0,6 et 1,5. Un autre élément important en plus du bore B ci-dessus est l'élément des terres rares. Une quantité qui n'est pas inférieure à 0,001%, d'au moins un élément des terres rares, est requise afin d'empêcher la variation dans les propriétés magnétiques observées dans une certaine mesure dans l'acier au silicium à très bas carbone et à faible Al sol. Si la teneur en éléments des terres rares dépasse 0,02%, la quantité d'inclusions augmente dans une mesure telle qu'elle induit une détérioration des propriétés magnétiques. En conséquence, la teneur en élément des terres rares est fixée comme se trouvant dans la gamme de 0,001 à 0,020%. Les résultats d'une recherche effectuée sur les valeurs des pertes dans le fer des aciers au silicium très bas carbone et à bas Al sol, contenant Ce comme élément des terres rares, ensemble avec B, sont représentés dans la figure 2. En supplément de Ce et de B, les aciers échantillons contenaient 0,003 à 0,008% de C, 0,005 à 0,0808 d'Al sol et 2,2% de Si. Dans la figure 2 : X indique : pas de B ajouté. : B/N inférieur à 0,4 ou supérieur à 2,0 : B/N dans la gamme de 0,4 à 2,0. Comme cela est représenté clairement dans la figure 2, les aciers au silicium qui avaient un rapport B/N dans la gamme de 0,4 à 2,0 et qui contenaient également Ce, ont présenté une faible valeur des pertes dans le fer. En particulier, les aciers au silicium avec 0,001 à 0,020% de Ce avaient une faible valeur des pertes dans le fer de même que d'excellentes propriétés magnétiques. L'effet de la coexistence de B et de Ce est remarquable dans les aciers ayant une très faible teneur en carbone qui n'est pas supérieure à 0,005%. Au contraire cependant, la valeur des pertes dans le fer était élevée dans le cas d'aciers au silicium contenant Ce seul ou ayant un rapport B/N inférieur à 0,4 ou supérieur à 2,0. Comme éléments des terres rares, on a pu utiliser un mélange de métaux ayant des numéros atomiques compris entre 57 et 71. Le mischmetall qui contient environ 50% de Ce, le reste étant principalement du lanthane et du néodyme, est un exemple peu coûteux tombant dans cette classe. Le cérium Ce est toutefois préférable. L'addition de l'élément des terres rares est effectuée efficacement au moment où la désoxydation a été complètement effectuée et où le réglage de la composition a été achevé. Dans la présente invention un acier fondu ayant la co:p'usition contrôlée est coulé pour former une brame par le procédé de coulée en continu ou est coulé dans une lingotière pour former un lingot qui est ensuite dégrossai sous forme d'une brame. Autrement, une brame obtenue par un laminage de réduction d'un lingot coulé en continu peut etre utilisée La brame d'acier est habituelleent chauffée a une température dans la gamme de 1050 à 12500C dans un four de chauffage et laminée jusqu'à une épaisseur dans la gamme d'environ 1,5 à 3,0mm. Après que la couche de surface oxydée de la tôle laminée à chaud ait été éliminée, la tôle est laminée jusqu'à l'épaisseur du produit final.Ensuite la tole laminée à chaud peut être soumise à un recuit ou à un double laminage à froid et, dans ce dernier cas, le recuit peut être effectué entre les deux opérations de laminage, ou à une combinaison de ces stades. La tôle laminée à froid est soumise à un recuit en continu et enduite avec un film isolant pour obtenir le produit final. Le procédé de coulée de l'acier fondu sous forme d'une brame ou d'un lingot, et le traitement de la brame ou du lingot peuvent être choisis de toute manière desre sans sortir de l'esprit et de l'objet de l'invention. EXEMPLE 1 Des brames d'acier ayant les compositions indiquées dans le tableau 1 ont été produites en préparant de l'acier dans un convertisseur, en l'affinant dans un four de dégazage sous vide et en le mettant sous forme de brames par un procédé de coulée en continu. Ces brames ont été chauffées à 11500C dans un four de chauffage, laminées à chaud jusqu'à une épaisseur de 2,3mm, soumises à un recuit à 9000C selon nces- sité, nettoyées à l'acide et ensuite laminées à froid jusqu'à une épaisseur de 0,5mm. Ensuite les tôles laminées à froid ont été soumises à un recuit à 9000 ou 9500C pendant une durée de 60 secondes. Les propriétés magnétiques d'une éprouvette d'essai Epstein de chacun des aciers ci-dessus sont indiquées dans le tableau 2. TABLEAU I Echantillon Classification C Si Mn Sol Al S N B B/N Ce O % % % % % % % % % 1 L'invention1 0,003 2,20 0,25 0,025 0,007 0,0022 0,0020 0,91 0,004 0,003 2 " 0,004 2,22 0,30 0,065 0,007 0,0018 0,0030 1,67 0,008 0,002 3 " 0,003 2,15 0,41 0,028 0,006 0,0026 0,0020 0,77 0,014 0,002 4 " 0,003 2,25 0,66 0,018 0,007 0,0021 0,0030 1,43 0,017 0,004 5 " 0,004 2,88 0,30 0,022 0,005 0,0026 0,0022 0,85 0,005 0,002 6 " 0,005 2,93 0,62 0,043 0,005 0,0023 0,0031 1,35 0,009 0,002 7 " 0,003 2,92 0,22 0,032 0,004 0,0023 0,0020 0,87 0,016 0,002 8 " 0,003 2,83 0,18 0,044 0,004 0,0020 0,0024 1,20 0,011 0,002 9 Matériau 0,004 2,30 0,26 0,031 0,007 0,0026 0,0022 0,85 0,026 0,004 de référence 10 " 0,004 2,16 0,20 0,022 0,006 0,0031 - - 0,009 0,003 11 " 0,003 2,27 0,36 0,024 0,007 0,0022 0,0022 1,00 - 0,002 12 " 0.021 2,19 0,33 0,021 0,006 0,0033 0,0029 0,88 0,010 0,004 13 " 0,004 3,01 0,22 0,033 0,004 0,0024 0,0020 0,83 0,024 0,002 14 " 0,004 2,88 0,22 0,038 0,004 0,0026 - - 0,013 0,002 15 " 0,003 2,95 0,26 0,035 0,004 0,0023 0,0024 1,04 - 0,004 16 " 0,025 2,83 0,21 0,041 0,004 0,0026 0,0020 0,77 0,008 0,002 Echan- Traitements auxquels la tôle a été Température Propriétés Classitillon soumise après le laminage à chaud du recuit magnétiques fication N final W 15/50 B 50 1 l'inven- W/Kg T Nettoyage à l'acide-laminage à froid-recuit fial 900 C 3,89 1,67 tion 2 " " " 3,95 1,66 3 " " " 4,05 1,65 4 " " " 3,25 1,66 5 " Recuit-Nettoyage à l'acide-laminage à froid- 950 C 3,25 recuit final 6 " " " 3,19 1,67 7 " " " 3,30 1,68 8 " " " 3,31 1,68 9 Matériau de Nettoyage à l'acide-laminage à froid-recuit final 900 C 4,52 1,66 référence 10 " " " 4,66 1,67 11 " " " 4,18 1,66 12 " " " 4,42 1,67 13 " Recuit-Nettoyage à l'acide-laminage à froid- 950 C 3,88 1,69 recuit final 14 " " " 3,94 1,69 15 " " " 3,55 1,69 16 " " " 3,69 1,68 Note :T correspond à TESLA EXEMPLE 2 Les échantillons N 3 et 11 de l'Exemple 1 ont été choisis pour leur très faible teneur en carbone et vingt tôles laminées à chaud de chaque échantillon ont été préparées, soumises au nettoyage à l'acide, au laminage à froid jusqu1à une épaisseur de 0,Smm et ensuite à un recuit a 9000 pendant 60 secondes. La valeur moyenne de la perte dans le fer et la variation de celle-ci ont été déterminées pour les toies. La figure 3 est un diagramme expliquant la variation des valeurs des pertes dans le fer en ce qui concerne les échantillons N 3 (blanc) et 11 (hachuré). Comme cela est clair d'après la figure 3, la présente invention est excellente par comparaison avec la référence et donne des valeurs comprises entre 3,6 et 4,0 W/kg pour les valeurs des pertes dans le fer W15/50. Les valeurs analytiques, les valeurs moyennes des pertes dans le fer et l'écart par rapport à l'échantillon standard des échantillons sont indiqués dans le tableau 3. TABLEAU 3 Valeur des pertes dans le fer Echan- Valeur analytique chimique (%) tillon Ecar par N Moyen C Si Mn Sol Al S N B B/N Ce l'échantil ne lon standard W/Kg W/Kg 3 0,003 2,15 0,41 0,028 0,006 0,0026 0,0020 0,77 0,014 3,93 0,15 lon standaré 11 0,003 2,27 0,36 0,024 0,007 0,0022 0,0022 1,00 - 4,18 0,25 Comme cela est clair d'après le résultat des exemples 1 et 2 une tôle d'acier au silicium non orientée ayant de faibles pertes dans le fer ainsi qu'une faible déviation peut être fabriquée par la présente invention. REVENDICATIONS 1. Une tôle d'acier au silicium non orientée ayant des propriétés magnétiques uniformes caractérisée en ce qu'elle est constituée essentiellement' par # 0,015%, de préférence t 0,010% de C, 1,5 à 3,5% de Si, 0,05 à 1,0% de Mn, 0,005 à 0,08% d'Al soluble à l'acide, 0,015% de S, # 0,010% de O, L 0,005% de N, B sous une quantité telle que le rapport de B à N soit dans la gamme de 0,4 à 2,0, 0,001 à 0,020% d'au moins un élément des terres rares, le reste étant du fer et les impuretés inévitables. 2. Une tôle d'acier au silicium non orientée selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle contient # 0,0058 de C, 0,05 à 0,02% d'Al soluble à l'acide et 0,001 à 0,020% de Ce.