Brevet FR2542761A1 — publié le 19840921

'7 PROCEDE DE FABRICATION D'ACIERS A HAUTE USINABILITE Le procédé qui fait l'objet de l'invention concerne les aciers à haute usinabilité. Il est bien connu que l'usinabilité des aciers dépend notamment de la nature et de la morphologie des inclusions présentes dans le mé- tal Ce sont essentiellement des oxydes et des sulfures Les oxydes ont une action défavorable sur l'outil de coupe, par contre, les sulfures peuvent jouer un r 6 le favorable de lubrifiant. Dans le cas de l'usinage à vitesse de coupe modérée au moyen d'ou- tils en acier à coupe rapide, ce sont les sulfures qui jouent un rô- le essentiel et on utilise des aciers dont les teneurs en soufre peu- vent varier de 0,07 à 0,33 %. Dans le cas de l'usinage à grande vitesse de coupe au moyen d'ou- tils en carbure(s),les hautes teneurs en soufre n'ont pas d'effet par- ticulièrement favorable Par contre, on a constaté que les inclu- sions d'oxydes sont particulièrement nocives, car elles entraînent une usure de l'outil de coupe Il est possible de réduire la nocivi- té de ces inclusions par des moyens connus On peut, en particulier, en diminuer la quantité grâce à une bonne désoxydation et à une bon- ne décantation On peut aussi rendre ces inclusions, généralement à base d'alumine, globulaires par l'addition d'éléments alcalino-: terreux tels que le calcium, ou d'autres éléments On peut enfin s'arranger pour que ces inclusions globulaires restantes comportent une certaine quantité de soufre combiné qui en réduit la nocivité. Dans ce cas, la teneur en soufre n'est généralement pas supérieure à celle qui est habituellement présente dans l'acier, c'est-à-dire in- férieure à 500 ppm (parties par million en masse), et généralement de l'ordre de 150 à 500 ppm Dans cet intervalle, on cherche souvent à viser une fourchette de teneur en soufre plus étroite, pour un usa- ge et une nuance donnés, ce qui présente de sérieuses difficultés. De façon plus générale, l'expérience a montré qu'il est difficile d'élaborer de façon reproductible des aciers à faible teneur en in- clusions, ces inclusions étant rendues peu nocives par leur forme -2- globulaire et par la présence de petites quantités de soufre combiné. Ces difficultés sont dues en particulier au fait qu'il est difficile de bien contrôler les teneurs en soufre de l'acier après désoxyda- tion, qu'il n'est pas non plus facile de contrôler avec précision les additions éventuelles de soufre effectuées à l'acier, et enfin que le rendement des additions de calcium comme agent permettant de rendre les inclusions globulaires manque de reproductibilité. On a recherché la possibilité de mettre au point un procédé d'élabo- ration d'aciers à haute usinabilité particulièrement aptes à l'usi- nage à grande vitesse au moyen d'outils de coupe en carbure(s);-rpar addition de soufre et de calcium, dans des conditions permettant d'obtenir une grande efficacité de l'action combinée du calcium et du soufre ainsi qu'une excellente reproductibilité des résultats, tout en réglant la teneur en soufre à l'intérieur de fourchettes de composition étroites, cette teneur ne dépassant pas la limite supé- rieure de teneur en soufre couramment admise dans les aciers ne com- portant pas d'addition volontaire de soufre. On a recherché en particulier la possibilité de développer une mé- thode d'introduction dans l'acier liquide du calcium et du soufre, qui permette d'ajuster avec beaucoup de précision les quantités de calcium apportées à l'acier sous forme métallique,ainsi que les quan- tités correspondantes de soufre, afin d'obtenir du point de vue usi- nabilité, de façon reproductible, des résultats optimaux. Le procédé qui fait l'objet de l'invention apporte une solution par- ticulièrement avantageuse au problème qui se pose. Il consiste à élaborer de façon conventionnelle un acier non allié, ou allié, ou inoxydable, puis à effectuer une addition d'aluminium afin d'abaisser la teneur en oxygène de l'acier au-dessous de 100 ppm, à effectuer ensuite ou simultanément une désulfuration poussée par un laitier basique afin d'abaisser la teneur en soufre de l'acier au- dessous de 100 ppm, puis à effectuer,en fil fourré,des additions de calcium et de soufre afin d'atteindre dans l'acier une teneur en cal- cium de 20 à 100 ppm, et une teneur en soufre de 150 à 500 ppm. On effectue avantageusement le traitement par l'aluminium de façon -3- à obtenir une teneur résiduelle en aluminium dissout dans l'acier, comprise entre 150 et 500 ppm La teneur en oxygène est de préféren- ce abaissée au-dessous de 50 ppm et,de préférence également, la désulfuration est effectuée jusqu'à obtenir une teneur en soufre in- férieure à 50 ppm On peut effectuer les additions de calcium et de soufre soit de façon successive, le calcium étant introduit en pre- mier, soit simultanément. L'addition de calcium est effectuée au moyen d'un fil fourré conte- nant de façon avantageuse un alliage de calcium en grains ou poudre, tel qu'un silico-calcium. L'addition de soufre est effectuée au moyen d'un fil fourré conte- nant avantageusement de la fleur de soufre ou un sulfure. En cas d'addition simultanée de calcium et de soufre, on peut utili- ser plusieurs fils fourrésou un seul fil fourré, contenant à la fois du calcium et du soufre dans les proportions voulues. Le procédé permet en particulier d'obtenir de façon reproductible des aciers pour lesquels l'écart entre la teneur en soufre obtenue et la teneur visée ne dépasse pas + 40 ppm. Le procédé suivant l'invention permet, grâce aux additions très pré cises de calcium et de soufre ainsi effectuées, d'obtenir des inclu- sions globulaires finement réparties qui confèrent de façon reproduc- tible à l'acier, une haute usinabilité Ces aciers conviennent en particulier pour l'usinage à grande vitesse au moyen d'outils de cou- pe en carbure(s). De façon détaillée, le procédé suivant l'invention peut avantageuse- ment être mis en oeuvre de la façon suivante on élabore de façon conventionnelle un acier, tel qu'un acier allié ou non allié de type courant; on effectue en fin d'élaboration, une désoxydation de cet acier au moyen d'aluminium, dont la quantité est déterminée pour obtenir une teneur résiduelle en aluminium dissout dans l'acier d'environ 150 à 500 ppm, cette teneur résiduelle visée étant d'autant plus forte, à l'intérieur de ces limites, que la teneur en carbone est plus faible. La désulfuration est ensuite effectuée par exemple au moyen d'un laitier basique qui peut être constitué par exemple par de la chaux -4- ou par une composition alumino-calcique Pour permettre une désul- furation très poussée, il faut brasser le métal liquide au contact du laitier, par exemple par insufflation d'un gaz neutre à travers ce métal, ou par tout autre moyen Les teneurs finales en soufre et oxygène doivent être, de préférence, inférieures à 50 ppm pour cha- cun de ces éléments. On effectue ensuite l'introduction du calcium dans l'acier liquide au moyen d'un fil fourré tel que, par exemple, celui qui est décrit dans le IR 2 476 542 Ce fil est constitué d'une enveloppe, généra- lement en acier doux, de quelques dixièmes de mm d'épaisseur, qui entoure l'âme qui contient le calcium à l'état divisé sous forme de métal ou d'alliage L'introduction du fil fourré est effectuée de préférence à une vitesse relativement rapide en général de l'ordre de I à quelques mètres par seconde On ajuste cette vitesse,en fonc- tion du contenu du fil fourré en calcium par unité de longueur et de la quantité à introduire, de façon que la durée de cette introduc- tion ne dépasse pas quelques minutes On fait pénétrer le fil de *haut en bas à travers le bain métallique, sous un angle proche de préférence de 90 par rapporit à l'horizontale Il est ainsi possible de faire pénétrer le calcium très profondément dans l'acier liquide, ce qui accroît considérablement l'efficacité de l'addition La quan- tité de calcium ainsi introduite dans le bain d'acier liquide,sous forme de métal ou d'alliage, est, de préférence, comprise entre 150 et 600 g/t, ce qui permet, après réduction des oxydes encore présents dans le métal, l'obtention d'une teneur en calcium comprise de pré- férence entre 20 et 80 ppm On homogénéise de préférence par agita- tion le bain d'acier liquide ainsi additionné de calcium avant l'ad- dition de soufre Cette dernière addition est effectuée au moyen d'un fil fourré contenant soit du soufre en fleur, soit un sulfure tel que le sulfure de fer ou de manganèse,sous forme pulvérulente ou granulaire L'enveloppe est généralement en acier doux de quel- ques dixièmes de mm d'épaisseur, comme dans le cas de l'addition de calcium L'introduction du soufre est effectuée comme celle du cal- cium à vitesse relativement grande. On cherche à obtenir dans l'acier liquide, une teneur en soufre com- prise entre 150 et 500 ppm Le rendement d'introduction est en gêné- ral supérieur à 90 % grâce à l'utilisation de fil fourré, ce qui per- met d'ajuster avec beaucoup de précision -l'addition de soufre. -5- Dans la pratique, en effectuant des additions de fleur de soufre, on peut admettre un rendement de l'ordre de 95 %. Apres introduction du soufre, l'acier est coulé soit en lingots,soit au moyen d'une installation de coulée continue On doit prendre le maximum de précautions pour éviter la réoxydation des jets d'acier liquide au cours de cette opération de coulée. Les exemples ci-après décrivent de façon non limitative deux modes d'élaboration d'un acier à haute usinabilité par le procédé suivant l'invention Exemple I: On se propose d'appliquer le procédé suivant l'invention à la prépa- ration d'un-acier correspondant à la norme AISI 1045 et contenant en % en masse: C 0,42 à 0,48 Si 0,15 à 0,30 Mn 0,60 à 0,90 S 0,018 à 0,025 1 ) Elaboration de l'acier par des modes habituels dans un four à arc de 80 t, à partir de ferrailles, avec fusion oxydante, souffla- ge d'oxygène, déphosphoration, décrassage et recarburation. 2 ) Coulée du métal en poche magnésie, une partie du manganèse pou- vant être ajoutée dans la poche sous forme de ferro-manganèse Déso- xydation par addition d'aluminium dans le jet de coulée ( 1,5 kg/t soit 120 kg) Mise en place sur le métal d'un laitier de chaux ( 8 kg/ t de poudre de chaux anhydre, soit 640 kg). Dès le début de la coulée, brassage du métal par insufflation d'ar- gon Prise d'un échantillon d'acier 1 minute après la fin de la cou- lée La composition de l'acier est alors en % en masse: C = 0,40; Si = 0, 12; Mn = 0,61; en ppm: Al = 520; S = 100. ) Brassage du métal par l'argon pendant 20 minutes Réglage de la composition par addition de fonte et ferro manganèse. On obtient alors la composition suivante, en % en masse: C = 0,44; Si = 0, 11; Mn = 0,72 en ppm: Al = 250; S = 40; 2 = 25 -6- 4 ) Introduction dans le métal d'un fil fourré contenant 180 g au mètre de silico-calcium à 31 % en masse de calcium Ce fil est intro- duit à la vitesse de 120 m/minute, soit 6,7 kg/minute de calcium pen- dant 3 minutes, soit une addition de 0,25 kg de calcium par tonne d'acier liquide. On maintient un brassage léger de l'acier liquide par l'argon pen- dant 3 minutes, après la fin de l'injection. Un échantillon prélevé après ces 3 minutes a la composition sui- vante: en % en masse C = 0,45; Si = 0,18; Mn = 0,73; en ppm Al = 230; 02 = 20; S = 390; Ca = 40 ) Resulfuration par injection dans l'acier, après les 3 minutes de brassage léger suivant l'addition de calcium, d'un fil fourré conte- nant 135 g au mètre de fleur de soufre La vitesse d'injection est de 90 m/minute et l'introduction de soufre dure I minute et 20 secon- des; soit une addition totale de 16,2 kg de soufre ou 200 ppm. 6 ) Le métal est coulé en ronds de 223 mm de diamètre par coulée con- tinue rotative, en passant préalablement dans un répartiteur compor- tant un revêtement basique La composition finale du Droduit coulé est la suivante en % en masse: C = 0,45; Si = 0,17; Mn = 0,72 en ppm:A 1 = 220 ; 02 = 30; S = 220; Ca = 36 7 ) Ces ronds sont laminés en tubes mécaniques de 180 mm de diamètre extérieur et de 20 mm d'épaisseur. Les tubes ainsi obtenus présentent une usinabilité, au moyen d'outils de coupe en carbure(s), très supérieure à celle des aciers courants de même composition. Exemple 2: Le même acier que dans l'exemple 1 est élaboré dans des conditions similaires, mais en effectuant les additions finales de calcium et de soufre à l'aide d'un fil fourré contenant un mélange de fleur de soufre et de silico-calcium à 30 % en masse de calcium. Ce mélange contient 20 Z de soufre et 80 % de silico-celcium Ce fil -7fourré pèse 170 g au mètre Il est introduit à 120 m par minute pendant 4 minutes et 7 secondes en donnant des résultats similai- res à ceux de l'exemple 1. -8- REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation d'un acier à haute usinabilité dans le- quel on élabore par fusion de façon conventionnelle, un acier non allié ou allié ou inoxydable, caractérisé en ce que, après élabora- tion de l'acier de façon conventionnelle, on effectue une addition d'aluminium afin d'abaisser la teneur en oxygène de l'adier au- dessous de 100 ppm et une désulfuration poussée par un laitier ba- sique afin d'abaisser la teneur en soufre de l'acier au-dessous de ppm, puis en ce qu'on effectue, en fil fourré, des additions de calcium et de soufre afin d'atteindre dans l'acier une teneur en calcium de 20 à 100 ppm et une teneur en soufre de 150 à 500 ppm. 2 Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que l'addi- tion d'aluminium est effectuée de façon que la teneur résiduelle de l'acier en aluminium dissout soit comprise entre 150 et 500 ppm. 3 Procédé suivant revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la désoxydation est effectuée de façon à abaisser la teneur en oxygène de l'acier au-dessous de 50 ppm. 4 Procédé suivant l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que la désulfuration est effectuée de façon à abaisser la teneur en soufre de l'acier au-dessous de 50 ppm. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les additions de calcium et de soufre sont effectuées succes- sivement, l'addition de calcium étant faite en premier. 6 Procédé suivant revendication 5, caractérisé en ce que l'addi- tion de calcium est effectuée au moyen de fil fourré contenant un alliage à base de calcium en grains tel qu'un silico calcium. 7 Procédé suivant revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'ad- dition de soufre est effectuée au moyen de fil fourré contenant du soufre en fleur ou un sulfure. 8 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, 6 ou 7, -9-. caractérisé en ce que l'on effectue simultanément l'addition de calcium et de soufre au moyen d'au moins un fil fourré. 9 Procédé suivant l'une des revendications I à 8, caractérisé en ce que l'addition de soufre est comprise entre 150 et 300 ppm. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que on ajuste la teneur en soufre, à l'intérieur du domaine com- pris entre 150 et 500 ppm, avec une précision telle que l'écart entre la teneur obtenue et la teneur visée ne dépasse pas + 40 ppm.