Brevet FR2567910A1 — publié le 19860124

Acier pour les coquilles des cylindres des machines de coulée en continu d'aluminium. L'invention concerne un acier pour les coquilles des cylindres des machines de coulée en continu d'aluminium et plus particu lièrement un acier allié pour les coquilles des cylindres utili sés sur une machine de coulée en continu fabriquant des tôles d'aluminium et en alliages d'aluminium directement en partant du matériau fondu. Les cylindres des machines de coulée en continu d'aluminium sont formés d'une coquille et d'un noyau qui sont fixés entre eux par frettage. La surface intérieure de la coquille étant continuellement refroidie à l'eau, la surface extérieure est refroidie par conduction thermique. Beaucoup de machines de coulée en continu d'aluminium comportent une paire de cylindres refroidis comme ci-dessus, disposés à l'orifice de coulée de l'aluminium fondu. Les cylindres en rotation sont conçus pour refroidir les deux faces de la tôle d'aluminium qui est coulée entre eux de façon continue. La surface extérieure de la coquille du cylindre entre en contact direct avec l'aluminium fondu sur une distance circonférentielle qui n'excède pas quelques dizaines de millimètres. Tandis que le métal fondu se solidifie immédiatement au contact des cylindres en rotation, la température sur la surface extérieure de la coquille s'élève brusquement. La température extérieure s'abaisse toutefois rapidement sous l'influence du refroidissement appliqué à l'intérieur, iusqu' & la température'la plus basse ou température primitive, avant que le cylindre n'achève un tour complet pour entrer à nouveau en contact avec le métal fondu. Ensuite, ce cycle de chauffage et de refroidissement se répète.La température du métal fondu est d'environ 690 à 7000C, bien qu'elle puisse varier avec l'aluminium pur ou les alliageSd'aluminium, les types de machines de coulée, les conditions de coulée, les usages des différentss fabricants d'aluminium et autres facteurs. On suppose que la température sur la surface extérieure de la coquille atteint environ 6000C lors de l'entrée en contact avec l'aluminium fondu et il est signalé qu'elle tombe jusqu'à environ 45toc au cours du processus de refroidissement après contact. Exposée à l'action d'un cycle de chauffage et de refroidissement alterné aussi intense, la surface extérieure de la coquille présente au bout de quelque temps des criques thermiques. Les criques thermiques sont fines, peu profondes et peu apparentes au début. Toutefois, avec le temps, elles deviennent plus longues et plus profondes et on suspend la coulée pour retirer le cylindre défectueux pour effectuer un usinage de surface. On effectue l'usinage de surface jusqu'à ce que les criques thermiques aient été éliminées. En conséquence, une crique thermique plus profonde nécessite un usinage de surface plus poussé- , ce qui entraine une réduction de la durée de service de la coquille et de la production totale en tôles d'aluminium.Il est donc désirable que la coquille soit réalisée en un acier qui ne forme pas rapidement de criques thermiques ou qui, si leur formation ne peut pas être empêchée, présente seulement des criques fines etpeu profondes. Outre les criques thermiques qui apparaissent habituellement en des configurations régulieres, des fissures thermiques absolument irrégulières peuvent souvent se former sur la surface extérieure de la coquille du cylindre, A la différence de la crique thermique, la fissure thermique ne se forme pas sous l'influence de cycles de chauffage répétés, mais pratiquement instantanément, sous 11 effet d'un choc thermique. Les fissures thermiques sont longues, profondes et de configuration irrégulière. L'acier destiné aux-coquilles de cylindres doit donc présenter peu de risques de formation de telles fissures qui poseraient de sérieux problèmes. Plus la température de la surface extérieure de la coquille est basse immédiatement avant l'entrée en contact avec le métal fondu, plus grande sera l'efficacité du refroidissement et donc plus grande sera la vitesse de rotation des cylindres et plus le rendement de la production sera élevé. La surface extérieure de la coquille est refroidie par l'effet du refroidissement par eau de la surface intérieure qui se transfère par conduction thermique. En conséquence, du point de vue de la productivité, il est préférable que l'acier destiné aux coquilles des cylindres ait une plus grande conductibilité thermique. On donnera ci-après une récapitulation des propriétés exigées de l'acier destiné aux coquilles de cylindres que l'on vient de décrire (1) grande résistance aux criques thermiques (2) grande résistance à la fissuration par choc thermique et (3) conductibilité thermique élevée. Pour satisfaire à ces exigences, l'acier allié pour coquilles de cylindres proposé dans le brevet US-A-4 409 027, par exemple, contient 0,53 à 0,58% de carbone, 0,45 à 0,65% de manganèse, 0,20 à 0,30% de silicium, 0,028 au maximum de phosphore, 0,02% au maximum de soufre, 0,40 à 0,50% de nickel, 1,0 à 1,2% de chrome, 0,45 à 0,55t de molybdène et 0,10 à 0,15t de vanadium. Cependant, depuis quelque temps, on exige que l'acier pour coquilles de cylindres possède des propriétés encore meilleures pour répondre à des exigences de fonctionnement plus élevées. Pour augmenter la résistance aux criques thermiques, il faut ajouter des éléments d'alliage efficaces. Mais les aciers fabriqués avec des teneurs plus élevées en éléments d'alliage tendent habituellement à avoir des conductibilités thermiques plus basses. I1 faut donc concevoir le matériau en tenant compte de tous ces facteurs. Le but de l'invention est de fournir un acier pour coquilles de cylindres de machines de coulée en continu d'aluminium qui ait une résistance très-accrue aux criques thermiques et à la fissuration par choc thermique, qui souffre seulement d'un minimum de diminution de conductibilité thermique pouvant être causée par l'addition d'éléments d'alliage et qui,par conséquent, permette d'augmenter considérablement la quantité de tôles d'aluminium coulées pendant la durée de vie d'une coquille. Pour atteindre ce but, l'acier selon l'invention contient 0,30 à 0,65% de carbone, 0,80% au maximum de silicium, 0,80% au maximum de manganèse, 2,00 à 4,50% de chrome, 0,40 à 0,80% de molybdène, 0,10 à 0,30% de vanadium et une quantité minime d'impuretés inévitables. L'acier ayant cette composition permet de fabriquer des coquilles de cylindres pour machines de coulée en continu d'aluminium qui ont une grande résistance aux criques thermiques et à la fissuration par choc thermique. L'aptitude à la trempe et la ténacité de l'acier sont accrues par l'addition de 0,7% au maximum de nickel. Les figures 1 à 3 illustrent les résultats d'essais comparatifs effectués sur l'acier de l'invention et d'autres aciers conventionnels ; la figure 1 est un graphique sous forme de barres qui montre la pro fondeur maximale des criques thermiques engendrées sur les échantillons d'essai par un essai de cycle thermique ; la figure 2 un graphique sous forme de barres indiquant la force donnant une déformation élastique de 0,2% des échantillons d'essai, déter minée par un essai de traction conduit à une tempé rature de 600pu, et la figure 3 est un graphique sous forme de barres indiquant les conductibilités thermiques des échantillons d'essai déterminées à trois températures différentes de 250C, 3000C et 6000C. L'inventeur a effectué diverses expériences de confirmation pour réaliser l'invention. I1 a évalue la résistance des aciers aux criques thermiques en comparant la profondeur de la crique thermique formée sur de petites éprouvettes qui ont été soumises au cycle court alterné de chauffage et de refroidissement auquel est exposée la surface extérieure des coquilles de cylindres réelles. On a reproduit le cycle de chauffage et de refroidis serment en utilisant une installation d'essai à cycle thermique par chauffage par induction à haute fréquence. En ce qui concerne les fissures irrégulières causées par choc thermique, on savait, d'après l'analyse du mécanisme de leur apparition et de la façon dont elles apparaissent sur des coquilles de cylindres réelles, que la résistance mécanique à haute température(c'est-à-dire la force donnant une déformation élastique de 0,2%)et la résistance à la détrempe par revenu'de l'acier ont une incidence importante sur l'évaluation de la résistance à la fissuration par choc thermique. On a déterminé la conductibilité thermique de l'acier par la méthode à l'éclair de laser. L'invention est hasée sur la découverte, basée sur des résultats expérimentaux, que les aciers alliés ayant la composition chimique ci-après conviennent le mieux aux coquilles de;cylindres des machines de coulée en continu d'aluminium. Premièrement, les aciers pour coquilles de cylindres de machines de coulée en continu d'aluminium selon l'invention ont une résistance remarquable aux criques thermiques et a la fissuration par choc thermique lorsqu'ils contiennent 0,30 a 0,65% de carbone, 0,80% au maximum (en poids) de silicium, 0,808 au maximum de manganèse, 2,00 à 4,50% de chrome, 0,40 à 0,80 de molybdène, 0,10 à 0,30% de vanadium, et quelques impuretés inévitables. Deuxièmement, l'aptitude à la trempe et la ténacité sont accrues par addition de 0,7% au maximum de nickel a l'acier ayant la composition ci-dessus. Quand la teneur en carbone est inférieure à 0,30%, la résistance aux criques thermiques des aciers est plus grande mais les criques thermiques risquent de se former sous forme fine et serrée. En effet, quoique la résistance aux criques thermiques des aciers soit plus grande, de telles criques fines peuvent se réunir pour former de longues fissures sur les coquilles des cylindres de la machine de coulée, étant donné que les coquilles des cylindres sont exposées à un choc thermique élevé. Aussi, la limite inférieure de la teneur en carbone est fixée à 0,30% au minimum. En même temps, la limite supérieure de la teneur en carbone est fixée à 0,65% au maximum parce qu'au-delà la résistance aux criques thermiques est très inférieure. Pour atteindre une bonne résistance aux criques thermiques et à la fissuration par choc thermique, la teneur en carbone devrait, de préférence, être respectivement de 0,35 à 0,45% etde 0,55 à 0,65. Formant une solution solide principalement dans la matrice, la teneur en silicium donne aux aciers de la résistance à la détrempe. Utilisé comme désoxydant, le silicium est contenu dans tous les aciers en certaines quantités. Etant donné que son poids atomique est faible, comme celui du carbone, le silicium, lorsqu'il est contenu en quantités notables, diminue notablement la conductibilité thermique de l'acier. Par suite, la teneur en silicium est de 0,8% au maximum Pour empêcher la chute de la conductibilité thermique, la teneur en silicium doit être de 0,50% ou en dessous, ou de préférence de 0,30% ou en dessous. Etant un désoxydant, le manganèse, comme le silicium, est toujours présent dans les aciers. Quoique le manganèse augmente l'aptitude des aciers à la trempe, ce n'est pas une propriété tres importante puisque les coquilles de cylindres sont habituellement très minces. Une petite quantité de man ganèse ne produit aucun effet sur la résistance aux criques thermiques et a la fissuration par choc thermique, mais un excès de teneur en manganèse cause une stabilisation défavorable de l'austénite résiduelle contenue dans les aciers après leur trempe. Donc, la teneur en manganèse est fixée à un maxium de 0,8%. Le nickel forme une solution solide dans la matrice, augmente l'aptitude à la trempe et la ténacité mais a peu d'influence sur la résistance aux criques thermiques et à la fissuration par choc thermique. Etant donné qu'une addition excessive de nickel aux aciers stabilise l'austénite résiduelle contenue dans les aciers après leur trempe, sa teneur est limitée à 0,70% au maximum. Le chrome joue un rôle important dans l'invention. I1 est généralement connu que le chrome augmente efficacement l'aptitude à la trempe, les propriétés mécaniques et la résistance à la orrosion. Le but de l'addition, dans l'invention, est d'augmenter entre autres la résistance aux criques thermiques et la résistance aux températures élevées. Un accroissement de la teneur en chrome est désirable puiqu'il s'accompagne d'un accroissement de la résistance aux criques thermiques et de la résistance aux températures élevées, mais il donne aux aciers une faible conductibilité thermique. Pour cette raison, la limite inférieure de la teneur en chrome est fixée à 2%.En dessous de ce niveau, la résistance aux criques thermiques aussi bien que la résistance aux températures élevées des aciers deviennent si faibles que les qualités de la coquille formée à partir de ces aciers devient inférieure à celle de la coquille formée à partir d'aciers classiques pour coquilles. La teneur particulièrement préférentielle en chrome est de 3,0 ou au dessus, la gamme la plus préférentielle se situe entre 3,50% au minimum et 4,008 au maximum. La limite supérieure est fixée à 4,58 étant donné qu'au dessus de ce niveau la conductibilité thermique devient inacceptablement faible bien que la résistance aux criques thermiques et la résistance aux températures élevées deviennent élevées. Le molybdène est efficace pour augmenter la résistance a la détrempe qui pourrait être causée par le revenu et empêcher la fragilité de revenu. Nais le molybdène est si motteux que l'addition doit être maintenue à un minimum. Afin d!atteindre le but que l'on vient de mentionner, il faut ajouter au moins 0,4% ou de préférence au moins 0,5% de molybdène. D'autre part, une teneur en molybdène supérieure à 0,88 est superflue sauf si la résistance aux températures élevées et la résistance à l'usure sont spécialement exigées parce qu'il pourrait se produire une forte trempe secondaire. Aussi, la teneur en molybdène est fixée à 0,8% au maximum. Le vanadium affine la grosseur de grain mais une petite quantité seulement est suffisante. Dans l'invention, la teneur en vanadium est fixée comme étant de 0,103 au minimum et 0,30 au maximum, ou de préférence 0,20 au maximum. Les coquilles de cylindres formées à partir a d'aciers alliés ayant la composition décrite ci-dessus sont soumises à la trempe et au revenu pour obtenir des microstructures de martensite de revenu. Les températures de trempe et de revenu doivent être de préférence de 900 à 9700C et de 500 à 6500C, respectivement. Un revenu à des températures aussi élevées stabilise les microstructures sur la surface extérieure de la coquille de cylindre qui est exposée en service à une chaleur intense. La surface de la coquille atteint aussi une dureté aussi grande que HRC 40 à 60, qui est optimale pour la coquille de cylindre. Quand la dureté de la surface de la coquille dépasse HRC 50, il risque de se produire une fissuration par choc thermique. Par contre, en dessous de HRC 40, il risque de se produire une profonde fissuration par fatigue thermique. Résultats d'essais On décrira maintenant les résultats des essais que l'on a conduits pour justifier la raison pour laquelle la composition chimique est limitée comme indiqué ci-dessus. On a appliqué des essais de cycle thermique et de traction à haute température, outre la mesure de la conductibilité thermique, à des aciers pour coquilles de cylindres de l'invention et à un type classique (échantillon de référence) ayant diverses compositions chimiques Le Tableau 1 indique les compositions chimiques des aciers pour coquilles de cylindres essayés. Le Tableau 2 indique les conditions des traitements thermiques appliqués aux éprouvettes individuelles. On a ajusté les conditions du traitement thermique de manière que les éprouvettes atteignent la même dureté de HRC 44 à 45 (dureté Shore HSD 60 plus/moins 3) que les coquilles de cylindres réelles. Comme cela est évident d'après le Tableau 2, plusieurs aciers de l'invention dans la gamme des hautes teneurs en carbone, en- chrome et en molybdène ont présenté une résistance relativement plus grande à la fissuration par choc thermique que l'échantillon de référence parce qu'ils avaient subi un revenu à des températures quelque peu supérieures. Les résultats des essais sont indiqués sur les figures 1 à 3. La figure 1 montre les résultats d'un essai de cycle thermique dans lequel on a mesuré la profondeur des criques thermiques apparues après que les éprouvettes aient été rapidement chauffées et refroidies 5000 fois dans l'intervalle de température de 30 à 6000C. Sur la base des résultats obtenus, on a comparé la résistance aux criques thermiques des aciers individuels. Comme on peut le voir, les aciers selon la présente invention ont une grande résistance aux criques thermiques ; c'est spécialement le cas des aciers à moindre teneur en carbone et à plus haute teneur en chrome et en molybdène. La figure 2 montre la résistance aux hautes températures ou la force donnant une déformation élastique de 0,28 à 6000 C. Cet essai a aussi prouvé l'avantage des aciers selon l'invention, spécialement des aciers E et F à moindre teneur en carbone et à plus haute teneur en chrome et en molybdène, relativement à l'échantillon de référence. Cette propriété assure une grande résistance à des chocs thermiques répétés.La figure 3 montre les conductibilités thermiques mesurées: à trois températures différentes de 250C, 3000C et 600 C. Ainsi qu'il est évident d'après la figure, la conductibilité thermique diminue dans les aciers plus fortement alliés mais la différence de conductibilité thermique des aciers fortement et faiblement alliés est faible. Compte-tenu de tous les facteurs, les aciers E et F, a moindre teneur en carbone et à plus haute teneur en chrome et en molybdène, se distinguent des autres. Mais même ceux qui avaient de plus hautes teneurs en carbone ont présenté des qualités bien meilleures que l'échantillon de référence. TABLEAU 1 {Désignation C Si Mn Ni Cr o Mo V A 0,36 0,21 0,70 0,62 2,15 0,51 0,15 B 0,38 0,20 0,74 0,63 2,10 0,75 0,71 C 0,37 0,18 0,7 0,65 3,20 0,54 0,12 ACIERS D 0,38 0,16 0,72 0,60 3,15 0,73 0,20 E 0,36 0,19 0,75 - 3,83 0,52 0,18 SELON F 0,37 0,22 0,71 0,61 3,84 0,76 0,l3 G 0,62 0,27 0173 0164 2,20 0153 0116 INVENTION G 0,62 0,17 0,73 0,64 2,20 053 0,16 H 0,63 0,16 0,74 0,62 2,12 0,78 0,15 I 0,64 0,15 0,72 0,63 3,10 0,55 0,17 J 0,62 0,15 0,75 0,64 3,12 0,77 0,14 K 0,64 0,18 0,76 - 3,90 0,51 0,15 L 0,63 0,22 0,75 0,61 3,85 0,78 0,16 ACIER DE REFERENCE M 0,56 0,23 0,56 0,43 1,11 0,51 0,12 TABLEAU 2 Désignation Température Température de trempe ( C) de revenu ( C) A 910 530 B 910 530 ACIERS C 910 540 D 910 540 E 920 550 SELON F 920 550 G 910 540 H 910 I 920 560 INVENTION J 920 560 K 930 580 L 930 580 ACIER DE REFERENCE M 850 550 Exemple On a converti en lingot, un acier contenant 0,62% de carbone, 0,21% de silicium, 0,63t de manganèse, 0,60% de nickel, 3,49e de chrome, 0,54% de molybdène et 0,13% de vanadium, on l'a forgé et on l'a façonné grossièrement à la forme d'une coquille. Apres trempe à 9200C et revenu à 5600C, on a fini la pièce en unecoquille ayant un diamètre extérieur de 949 mm, un diamètre intérieur de 838 mm et une longueur de 685 mm. La dureté de la coquille finie était HSD 61 à 62 (HRC 46 à 47). On a fretté la coquille ainsi préparée sur un noyau. On a monté le cylindre obtenu comme cylindre supérieur sur une machine de coulée en continu d'aluminium utilisée pour l'essai, un cylindre formé avec l'acier de référence étant utilisé comme cylindre inférieur. On a observé la façon dont les criques thermiques apparaissaient et comment la tôle d'aluminium était formée sur les deux faces de la tôle qui étaient en contact avec les deux cylindres différents. Quoique l'acier essayé ait eu une teneur plutôt élevée en carbone, la résistance aux criques thermiques était plus grande qu'on ne pensait et les criques thermiques qui se formaient éventuellement s'avéraient très fines. La vitesse de production était également satisfaisante. Revendications 1. Acier pour les coquilles des cylindres des machines de coulée en continu d'aluminium, présentant une excellente résistance aux criques thermiques et à la fissuration par choc thermique, caractérisé par le fait qu'il contient, en poids, 0,30 a 0,65% de carbone, 0,80% au maximum de silicium, 0,80t au maximum de manganèse, 2,00 à 4,50% de chrome, 0,40 à 0,80% de molybdène, 0,10 à 0,30% de vanadium et des traces d' impuretés inévitables. 2. Acier selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient 0,35 à 0,45k de carbone, 0,50% au maximum de silicium, 3,00 à 4,00% de chrome, 0,50 à 0,80% de molybdène et 0,10 à 0,20% de vanadium. 3. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient 0,55 à 0,65% en poids de carbone, 0,30% au maximum de silicium et 3,50 à 4,00% de chrome. 4. Acier selon l'unequelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il contient en outre 0,70% au maximum de nickel.