Brevet FR2516942A1 — publié le 19830527

La présente invention concerne un acier ayant une bonne soudabilité et une bonne trempabilité et une chaîne faite de cet acier. Plus particulièrement, l'invention concerne un acier de construction et à outils ayant une bonne soudabilité, une bon- ne trempabilité, une résistance à la traction élevée à la température ordinaire et une bonne ténacité au choc même à basse température La limite d'élasticité est d'au moins 600 M Pa et la limite de rupture est d'au moins 900 M Pa, tandis que la ténacité au choc à -20 'C est d'au moins 40 J Comme maté- riau de construction, on peut employer l'acier sous forme de barres, en particulier pour des chaînes, et sous forme de tu- bes pour les tubes de construction Dans le secteur de la machine-outil, l'acier peut être employé par exemple pour des outils pour le moulage des plastiques - Les aciers au carbone classiques et les aciers faiblement alliés sont utilisés comme aciers de construction et comme aciers à outils plus simples En ce qui concerne leur struc- ture, ces aciers peuvent être subdivisés en aciers ferritiques- perlitiques et en aciers martensitiques Les premiers aciers sont soudablesmais ont une résistance mécanique relativement faible En utilisant des aciers martensitiques, il est pos- sible d'obtenir des résistances mécaniques considérablement supérieures mais ceci est normalement obtenu aux dépens de la ténacité et de la soudabilité. De nombreuses nouvelles qualités d'aciers ont été mises au point pour améliorer la soudabilité des aciers de construc- tion martensitiques et en même temps conserver leurs bonnes propriétés mécaniques, ces aciers étant caractérisés par une faible teneur en carbone et en même temps par la présence de constituants d'alliage composés principalement de manganèse et de chrome avec généralement aussi certains agents d'affina- ge des grains tels que le niobium, le vanadium ou le titane. Les aciers caractéristiques appartenant à cette catégorie sont décrits par exemple dans le brevet SW N O 303 885 et les bre- vets GB no 1 340 744 et no 1 353 762 Avec ces aciers et d' autres aciers de composition semblable, on a pu obtenir à de nombreux égards des améliorations importantes des propriétés. Cependant, les résistances mécaniques imposées aux aciers de construction conçus pour des applications extrêment exigeantes ont progressivement atteint des valeurs telles que les aciers précédemment proposés ne peuvent y satisfaire En particulier, il s'est révélé difficile, avec ces aciers, d'obtenir la téna- cité au choc souhaitable à basse température tout en conser- vant une bonne résistance à la traction La trempabilité est trop limitée ce qui restreint l'emploi de ces aciers dans des produits de grandes dimensions Un tel produit est une chaîne d'ancrage pour les plates-formes de forage de pétrole en mer. Le but de l'invention est de fournir un acier ayant un profil de propriétés qui satisfasse aux conditions indiquées dans le préambule de la présente demande Un objectif particu- lier est de fournir un acier satisfaisant aux conditions impo- sées par l'industrie du forage en mer pour des chaînes d'an- crage. Un autre objectif est de fournir un acier ayant des te- neurs relativement faibles en substances d'alliages de façon à maintenir des prix globaux de production faibles Ces objec- tifs ainsi que d'autres peuvent être atteints lorsque l'acier a la composition suivante exprimée en pourcentages pondéraux TABLEAU 1 C 0,03 0,07 Si 0,10 1 Mn 1,2 2,5 Cr 1,8 3 Ni 1,5 3 Mo max 0,5 Nb, V, Ti total 0 0,10 le reste étant essentiellement uniquement du fer et des impu- retés à des teneurs normales. Les tests préliminaires ont de plus indiqué que la teneur en manganèse doit de préférence être de 1,2-2,0, la teneur en chrome de 1,8-2,8, la teneur en nickel de 1,5-2,5, la teneur en molybdène de 0,2-0,4 et la teneur en silicium de 0,2-0,4. L'acier peut également avoir une teneur en aluminium de 0,005- 0,04, de préférence de 0,01-0,02 L'azote ne doit pas être présent à des teneurs supérieures à la normale Le niobium, le vanadium et le titane peuvent, comme indiqué dans le ta- bleau ci-dessus, être également présents à des teneurs totales atteignant au plus 0-0,10 % comme agents d'affinage des grains. Cependant, selon le mode de réalisation préféré, ces éléments ne doivent pas être présents à des teneurs supérieures à cel- les d'impuretés. Les essais ont également montré que l'effet d'améliora- tion de la ténacité qu'apporte le nickel dépend de la propor- tion entre les teneurs en manganèse et en chrome, en ce que l'effet de la quantité de nickel est accru lorsque le rapport % Mn/% Cr est entre 0,5 et 1,0 de préférence entre 0,5 et 0,75 et de façon souhaitable d'environ 2/3 ou 0,6 Cette observa- tion conduit également à la conclusion que la teneur totale de Mn + Cr peut être maintenue relativement basse à 3-5 %, de façon souhaitable à 3, 5-4,5 % Lorsqu'on maintient en même temps le rapport optimal entre ces deux éléments. Pour tirer parti de façon efficace de l'effet d'améliora- tion de la ténacité du nickel, il est cependant, dans la pré- sente composition d'alliages, particulièrement avantageux de porter la teneur en nickel à une valeur quelque peu plus éle- vée que celle initialement indiquée, c'est-à-dire entre 2,0 et 3,0 %. Plus particulièrement, la demanderesse a découvert une composition optimale d'un acier pour chaîne d'ancrage qui doit être la suivante exprimée en pourcentages pondéraux TABLEAU 2 C 0,030 0,070 Si 0,25 0,55 Mn 1,3 1,7 Cr 2,10 2,70 Ni 2,35 3,00 a Mo 0,25 0,40 Cu max 0, 20 Al 0,010 0,025 N max 0,04 le reste étant du fer et des impuretés à des teneurs normales. Pour obtenir la meilleure combinaison de la résistance mécanique et de la ténacité au choc, les chaînes d'ancre sou- dées en acier ayant une composition d'alliage selon l'inven- tion doivent être soumises au traitement thermique suivant La chaîne soudée est normalisée à une température entre 800 et 1 000 C et est refroidie dans l'air ou l'eau au voisinage de la température ordinaire Ensuite, la matière reçoit un recuit duplex, ce qui signifie que l'acier est recuit dans la région ferritique-austénitique à une température entre 680 et 790 C. Dans la description des essais qui suit, on se réfère à la figure 1 qui illustre sous forme d'un graphique la ténacité au choc à 20 C en fonction de la nature de l'acier pour les aciers étudiés et à la figure 2 qui illustre un maillon d'une chaîne dans lequel les positions des éprouvettes sont indi- quées par des traits discontinus. Les essais effectués et les détails des résultats vont maintenant être décrits. Les études ont porté sur 10 lingots de 50 kg ayant la composition indiquée dans le tableau 3 Les matériaux étudiés comprenaient des alliages avec des quantités variables de man- ganèse, de chrome et/ou de nickel, et ont été préparés selon le modèle suivant: In + Cr 5 %; % Mn/% Cr: 3/2, 2/3, 1,5/4. % Ni: 0, 1, 1,5 et 2 Les dix lingots ont été tous laminés à chaud pour former une barre d'un diamètre de 16 millimètres. TABLEAU 3: Composition chimique (% en poids) des aciers étudiés Acier N C Si Mn Ni Cr Nb A 1 N r Ih+Cr Mn/Cr 1 0,029 0,32 5,7 0,05 0,024 0,006 5,7 2 0,058 0,30 4,8 0,031 0,007 4,8 3 0,054 0,32 4,7 2,5 0,05 0,043 0,005 4,7 4 0,047 0,33 3,1 2,1 0,06 0,032 0,016 5,2 Env 3/2 0,051 0,23 3,0 1,6 1,9 0,05 0,012 0,015 4,9 Env 3/2 6 0,053 0,32 2,0 3,0 0,06 0,034 0,015 5,0 2/3 7 0,055 0,29 2,0 1,1 3,0 0,06 0,031 0,015 5,0 2/3 8 0,046 0,24 1,9 2,1 2,9 0,05 0,036 0,012 4,8 Env 2/3 9 0,051 0,32 1,4 4, 0 0,05 0,042 0,016 5,4 Env 1,5/4 0,053 0,29 1,5 1,4 3,8 0,05 0,046 0,016 5,3 Env 1,5/4 S = 0,008 0,009 dans les aciers 1 3 et 0,013 -0,014 dans les autres P = 0,007 0,008 dans tous A partir des barres laminées, on a préparé des éprouvet- tes de 16 millimètres de diamètre Après normalisation à 16942 900 C/15 minutes/ air, les matériaux ont été trempés selon l'un de deux procédés: 870 'C/15 minutes/eau ou 870 'C/15 minu- tes/air Aucun revenu n'a été effectué Tous les aciers ont été soumis à un essai de traction à la température ordinaire et à un essai de choc (Charpy V) à la température ordinaire, à -20 et à -40 'C sous la forme trempée à l'eau et sous la for- me refroidie à l'air La microstructure de tous les aciers a été étudiée au microscope optique. Les études au microscope ont montré que l'austénitisa- tion à 8700 C/15 minutes de tous ces matériaux à grains affinés, a formé un diamètre des grains d'austénite de 20-30 pm (ASTM 8 7) Après trempe à 870 'C/15 minutes/refroidissement dans l'eau, tous les aciers présentent une structure entièrement martensitique lamellaire avec un diamètre moyen des agglomé- rats de martensite d'environ 10 pm Après trempe à 8700 C/15 minutes/refroidissement à l'air, tous les aciers présentent principalement une structure mixte constituée de martensite lamellaire avec divers mélanges d'autres formes structurales, principalement de la ferrite aciculaire (bainite) avec une densité de dislocation relativement élevée Le diamètre effec- tif moyen des grains des joints à angle important est d'envi- ron 10 Mm L'acier N O 3 a la trempabilité maximale et une structure presque entièrement martensitique Dans le cas de l'acier N O 9 qui de façon évidente présente la plus mauvaise trempabilité, il y a environ 25 % en volume de ferrite polygo- nale tendre Les inclusions individuelles de cette ferrite se produisent également avec l'acier N O 6 Dans les formes alliées avec du nickel ayant approximativement le même rapport Itn/Cr que les aciers N O 9 et 6, c'està-dire les aciers 7, 8 et 10, il ne se forme pas de ferrite polygonale. Les études des éprouvettes trempées à l'eau, en ce qui concerne leur résistance à la traction et leur ténacité au choc, montrent que tous les aciers ont des limites de rupture supérieures à 1 000 1 100 M Pa Tous les aciers, à l'excep- tion de l'acier no 1, satisfont également aux conditions impo- sées relativement à la ténacité au choc à -20 'C. Les propriétés mécaniques des matières trempées à 8700 C/ minutes/refroidissement à l'air figurent dans le tableau 4. De plus, les ténacités au choc à -20 'C ont été reportées sur le diagramme de la figure 1 en fonction du type de l'acier. Tous les aciers présentent une résistance à la rupture bien supérieure à 900 M Pa à la température ordinaire On ne peut pas observer de limite d'élasticité bien définie avec ces aciers et la valeur Rp 0,2 est approximativement de 150 M Pa pour tous les aciers à l'exception des aciers 3 et 9, ce qui est une résistance mécanique typique des aciers de structure mixte de ce type L'acier N O 9 a une résistance à la rupture relativement faible et la valeur la plus faible de Rp 0,2 qui est 660 M Pa, ce qui vraisemblablement peut être attribué à la quantité importante de ferrite tendre dans la structure. Tous les aciers présentent une ténacité au choc inférieure après refroidissement à l'air qu'après trempe à l'eau, malgré le fait que la taille effective des grains est approximative- ment la même et que de plus la trempe à l'eau fournit des limites d'élasticité plus élevées Les aciers 1 et 2 contenant respectivement 5,7 % et 4,8 % de Mn ont de façon évidente des ténacités au choc déplorables que l'on peut entièrement attri- buer à la fragilisation des joints de grains d'austénite pro- voquée par le refroidissement lent à l'air La fragilisation se manifeste par une rupture de 100 % des joints des grains d'austénite lors de l'essai de résistance au choc Avec l'acier n O 4, la ténacité au choc est évidemment meilleure et il ne se produit que des ruptures isolées des joints des grains d'aus- ténite D'autre part, il n'est pas possible de détecter des signes de rupture des joints des grains d'austénite mais uni- quement une rupture ductile et la cassure par clivage trans- cristallin normalement présente avec les aciers n 6 et N O 9 qui en même temps présentent une bien meilleure ténacité au choc que l'acier n 4. Il n'est pas non plus possible de détecter des signes quelconques de rupture des joints des grains d'austénite dans les surfaces de cassure des formes alliées avec du nickel Les améliorations de la ténacité au choc que l'on obtient par ad- dition de nickel aux aciers N O 3 et no 5 ayant plus de 3 % de Mn peuvent par conséquent être attribuées principalement au fait que la fragilisation des joints de grains a disparu Evi- demment, les additions de nickel ont également produit une amélioration de la ténacité au choc des aciers contenant moins de 3 % de Eln, que l'on peut attribuer totalement à l'effet d' inhibition de la cassure par clivage que produit le nickel. Donc, du point de vue de la ténacité, l'addition de nickel selon l'invention est particulièrement favorable si la matière doit être utilisée à l'état refroidi à l'air Les effets re- marquables d'une part du rapport Mn/Cr et d'autre part de la teneur en nickel en ce qui concerne la ténacité au choc sont illustrés de façon graphique sur le diagramme qui montre clai- rement les effets frappants du nickel lorsque l'objectif est d'améliorer la ténacité au choc d'un acier ayant des propor- tions bien équilibrées du manganèse et du chrome et plus par- ticulièrement un rapport manganèse/chrome d'environ 2/3 comme c'est le cas de l'acier N O 8 dont la composition convient se- lon l'invention. Les recherches montrent donc que dans une grande mesure, c'est le rapport entre les teneurs en manganèse et en chrome qui stimule l'effet d'accroissement de la ténacité du nickel plus que la teneur totale en chrome et en manganèse On peut donc conclure à partir des recherches qu'une composition-d' alliage optimale peut et doit avoir une teneur en chrome et en manganèse quelque peu plus faible, de préférence une teneur totale de ces substances d'environ 4 %. TABLEAU 4: Résultats des essais de traction à la température ordinaire et des essais de ténacité au choc (Char- py V) sur une barre de 16 millimètres de diamètre à l'état refroidi à l'air-sans revenu après norma- lisation à 9000 C/15 min/air plus trempe à 8590 C/ min/air (aciers 1-3) (aciers 4-10). et à 870 'C/15 min/air Acier no Rp 0,2 M Pa 1 760 2 770 3 885 4 710 5 750 6 730 7 750 8 770 9 660 10 790 Rm M Pa A 5 A 1 O 9 9 14 8 14 9 9 9 14 9 14 9 Z Ténacit % joule, 73 10 9 68 51 69 20 67 46 58 67 57 162 67 84 té au choc, à -200 C 1150 13 8 64 94 74 Guidé par les expériences décrites ci-dessus, on a conçu un acier dont la composition nominale figure dans le tableau On a produit 6 tonnes de cet acier (Charpy DV 26933) dans un four à arc Le bain a été dégazé sous vide dans un four à vide ASEA-SKF et on a obtenu la composition suivante qui figure dans le Tableau 5: Charge C Si Mn P S Cr Ni MD Cu Ai N Fe DV - 26993 0,042 0,38 1,56 0,008 0,001 2,45 2,47 0,29 0,08 0,010 0,019 restant Corpo- sition nomi- nale 0,050 0,40 1,50 '0,015 '0,003 2,50 2,50 0,3040,20 0, 01510,015 On a coulé l'acier et on l'a laminé en barres rondes de 76 mm de diamètre avec une température de laminage final basse. Les tiges ont été ensuite découpées, pliées en maillons de chaîne puis soudées bout à bout par soudage par résistance électrique Les maillons soudés ont été traités à chaud deux fois; d'abord dans un four continu à 900 C (normalisation) puis refroidissement dans l'air à la température ordinaire et ensuite à environ 730 C (recuit duplex) également suivi d'un refroidissement dans l'air à la température ordinaire Les maillons ont été éprouvés à 4 730 k N puis des éprouvettes ont été prélevées dans le joint soudé et dans le dos des maillons, figure 2. On a effectué des essais de résistance à la traction et de résistance au choc; les résultats obtenus figurent ci-dessous. TABLEAU 6 Essai de traction Rp O,2 Rm A 5 Z M Pa M Pa % % Dos 715 1010 17 64 Joint 838 994 16 59 Suite page suivante 16942 Essai de ténacité au choc Temp KV, Joule C Dos Joint + 80 137 + 60 120 + 40 140 + 20 100 + O 124 180 112 40 157 75 76 61 REVENDICATIONS 1 Acier ayant une bonne soudabilité et une bonne trem- pabilité, une limite d'élasticité d'au moins 600 M Pa, une li- mite de rupture d'au moins 900 M Pa à la température ordinaire et une ténacité au choc d'au moins 40 J à -20 C, caractérisé en ce qu'il a la composition chimique suivante exprimée en % pondéraux: C 0,03 0,07 Si 0,10 1 Mn 1,2 2,5 Cr 1,8 3 Ni 1,5 3 Mo max 0,5 Nb, V, Ti total O 0,10 le reste étant essentiellement du fer et des impuretés à des teneurs normales. 2 Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce qu' il contient 1,2 2,0 % de Mn et 1,8 2,8 % de Cr, de préfé- rence 1,3 1,7 % de Mn et 2,1 2,7 % de Cr. 3 Acier selon l'une des revendications 1 ou 2 caracté- risé en ce que le rapport % Mn/% Cr est entre 0,5 et 1,0, de préférence entre 0,5 et 0,75 et de façon appropriée d'environ 2/3 et en ce que la somme de Mn + Cr est entre 3 et 5 %, de préférence entre 3,5 et 4,5 %. 4 Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il contient 1,5 à 2,5 % de Ni. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il contient 2,0 3,0 % de Ni. 6 Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il contient au moins 0,1 % de Mo, de façon appropriée 0,2 0,4 % de Mo et en ce que les teneurs en nio- bium, en vanadium et en titane ne dépassent pas les teneurs d'impuretés. 7 Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il contient 0,2 0,4 % de Si. 8 Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il contient 0,005 0,04 % d'Al, de préfé- rence 0,01 0,02 % d'Al. 9 Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il ne contient pas plus de 0,05 % de N. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il a la composition suivante exprimée en pourcentages pondéraux: C 0,030 0,070 Si 0,25 0,55 Mn 1,3 1,7 Cr 2,10 2,70 Ni 2,35 3,00 Mo 0,25 0,40 Cu max 0, 20 Ai 0,010 0,025 N max 0,04 le reste étant du fer et des impuretés à des teneurs normales. 11 Chaine faite d'un acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisée en ce qu'après soudage, elle a été soumise à un traitement thermique comprenant une normalisation à une température entre 800 et 1 000 C, un re- frodissement à la température ordinaire dans l'air ou l'eau puis un recuit duplex à une température comprise entre environ 680 et 7900 C, c'est-à-dire dans la région ferritique-austéniti- que de l'acier.