Brevet FR2584318A1 — publié le 19870109

La présente invention est relative à des cylindres forgés pour laminage à froid et plus parti- culièrement des cylindres de travail destinés au lami- nage du fer et des aciers, des métaux non ferreux et de leurs alliages à des températures inférieures ou égales à 100*, et, éventuellement, des cylindres d'ap- pui utilisés dans les laminoirs multicylindres. Pour assurer une excellente tenue en service au moindre coût, les cylindres de travail doivent pré- senter en l'état d'utilisation un certain nombre de caractéristiques: 1 Une dureté superficielle élevée comprise entre 90 et 105 Shore C selon les produits à laminer. 2 - Une forte épaisseur de la couche trempée qui permettra de limiter ou même d'éliminer les re- traitements éventuellement nécessaires au maintien de la dureté désirée sur toute l'épaisseur donnée d'uti- lisation du cylindre. 3 - Une grande résistance à l'usure par l'a- brasion. 4 - Une teneur contrôlée de l'austénite ré- siduelle de la couche trempée; des teneurs trop éle- vées en austénite résiduelle étant nuisibles en favo- risant la fissuration sous contrainte en service. 5 - Une structure dendritique des couches superficielles suffisamment homogène pour éviter un phénomène de gravage extrêmement fin du feuillard auquel les professionnels donnent le nom de "peau de crapaud", "peau d'orange",... Un grand nombre de ces caractéristiques peut être réglé par un choix judicieux des conditions de fabrication des cylindres de laminoirs à froid et tout particulièrement des opérations de traitement thermi- que: revenu permettant d'ajuster la dureté de la ta- ble, mode de trempe classique avec chauffage à une température > AC3 de la totalité du cylindre lors de l'austénitisation, trempe superficielle après chauffa- ge à une température > AC3 uniquement d'une couche d'épaisseur relativement faible, conditions de refroi- dissement plus ou moins bien ajustées. Néanmoins, le choix de la nuance reste pri- mordial en vue de permettre l'optimisation des carac- téristiques exigées au moindre coût. Les nuances actuellement utilisées pour les cylindres de travail pour laminage i froid en acier forgé trempé à l'eau comportent de 0,8 à 0, 9 Z de carbone, de 1,8 à 3,0 X de chrome ainsi que d'autres éléments d'alliages et sont illustrées par la nuance classique 83 CDV7 qui a justement une teneur suffisam- ment élevée en carbone pour permettre d'obtenir les hauts niveaux de dureté exigés, les teneurs en Cr, Mo, V sont suffisantes pour avoir une trempabilité correc- te et la formation de nombreux carbures assurant la bonne résistance à l'usure. Avec des traitements de chauffage classique suivis d'une trempe à l'eau éner- gique, on peut ainsi facilement obtenir une dureté su- perficielle de 103 Shore C, une profondeur de couche trempée à dureté > 85 Schore C de 15 mm, sur des cy- lindres de diamètre de table de 550 à 650 mm. Avec une trempe superficielle après chauffa- ge par induction à la fréquence de 50 Hz on obtient des duretés superficielles analogues avec toutefois une couche trempée de plus grande profondeur 22 mm en- viron. Cependant pour exploiter totalement l'épais- seur utile de la table, de telles profondeurs de trem- pe nécessitent au minimum deux retraitements. Ces retraitements sont coûteux, aussi de nombreux fabricants ont cherché à améliorer la trempa- bilité de l'acier pour obtenir des couches trempées épaisses de 30 mm environ, limitant alors le nombre de retraitements à une seule opération. Afin d'accroître cette épaisseur on s'est orienté vers des aciers plus fortement alliés ayant des teneurs en Cr allant jusqu'à 3 Z et en Mo jusqu'à 0,5 X. Outre que ces éléments d'alliage sont coûteux, l'augmentation de leur teneur présente le grave incon- vénient d'engendrer un taux d'austénite résiduelle in- désirable après la trempe martensitique. On peut remédier à des taux d'austénite ré- siduelle élevés par un traitement après trempe consis- tant à plonger le cylindre dans l'azote liquide (trai- tement subzéro), mais ces traitements sont délicats et coûteux. Enfin l'augmentation de la teneur en élé- ments d'alliage Cr. Mo, V amène la formation d'une structure de bandes et d'une structure dendritique né- fastes à la qualité de surface des produits laminés. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, tout en permettant d'obtenir des cylin- dres forgés possédant une grande épaisseur de couche trempée. Elle a aussi pour objet un cylindre forgé pour laminage à froid réalisé en acier faiblement al- lié, caractérisé en ce qu'il présente la composition pondérale suivante: C: 0,76 à 0,92; Mn: 0,70 à 1,40; Si: 0,70 à 1,40; S reste étant du fer et des impuretés accidentelles. La caractéristique essentielle de l'inven- tion réside dans la teneur en Si qui provoque en asso- ciation avec le Mn un effet de synergie sur la trempa- bilité pour un acier à faible teneur en élément d'al- liage et en particulier Mo. Les travaux de Jatezack et Gérardi dans les articles ci-après: Multiplying factors of the calculation of Hardenabili- ty of Hypereutectoid steels Hardened from 1700' F. C.F. 3atezack and D.J. Girardi transaction of ASM 1959 - 51 p 335; et Hardenability of high carbon steel C.F. Jatezack and D.3. Girardi Metallurgical transac- tion - vol 4 Oct 73 p 2267; décrivent l'influence des éléments d'alliages sur la trempabilité des aciers hypereutectoides, et carac- térisent la trempabilité des différentes nuances par la distance à l'extrémité trempée du point 3ominy o la dureté est 63 HRC, sur éprouvettes Jominy austéni- tisées à des températures comprises entre ACm + 50 et Acm + 100. La structure correspondant à la dureté de 63 HRC est presque totalement martensitique avec au maxi- mum 10 Z de bainite, de sorte que le critère adopté est tout à fait représentatif des conditions d'utili- sation des cylindres. Ces travaux mettent en évidence que l'aug- mentation de trempabilité peut être obtenue par utili- sation de teneurs plus fortes en éléments d'alliage classiques tel que Mn. Ni, Cr, V, Si et surtout Mo comme indiqué par les graphes des Fig la et lb illus- trant le facteur multiplicatif F sur la distance à l'extrémité trempée en fonction de la teneur en divers éléments indiqués, pour une structure initiale respec- tivement normalisée et recuite. Il apparait nettement sur ces graphes que Mo exerce la plus forte action et en particulier supé- rieure au Si seul ou même combiné et au Mn. Or la demanderesse a découvert que contrai- rement aux enseignements de ces travaux. Mo exerce une influence sur la trempabilité présentant un maximum pour des teneurs relativement faibles. Ces résultats sont donnés à la Fig. 2 repré- sentant graphiquement l'influence des éléments d'addi- tion Mo, Mn et Si sur la trempabilité d'un acier 85 CDV7 ayant subi un traitement d'austénitisation ACm + C. Sur ce graphe est portée en ordonnée la distance Jominy, c'est-à-dire la distance en mm à l'extrémité d'une éprouvette normalisée (25 mm de diamètre) pour laquelle la dureté Rockwell C (HRC) est supérieure ou égale à 60. Par ailleurs il apparaît que Si exerce un effet synergique sur Mo et surtout sur Mn. A titre de comparaison, la Fig. 3 donne une représentation (Dureté en fonction de la distance D à l'extrémité trempée) des courbes 3ominy pour une nuan- ce classique qui est un acier 85 CDV7 dont les teneurs en Mn sont de 0,25 et Si de 0,42 et pour une plage d'aciers à nuance selon l'invention. L'accroissement de la dureté à 70 mm de 45 HRC à 63 HRC est particulièrement significative. De plus la présence de silicium tend à favo- riser la formation des carbures, qui est favorable pour la tenue à l'usure comme l'ont montré les diffé- rents tests de laboratoire utilisés. On observe par contre une légère diminution de la teneur en carbone de la matrice de l'acier et par conséquent du niveau maximum de dureté pouvant être obtenu; ce n'est pas un inconvénient car il suf- fit de jouer sur les conditions du revenu après trempe entre 100 et 200*C. Le silicium augmente en outre la résistance au revenu. Son action ne peut donc qu'être bénéfique lors des petits incidents de laminage entraînant une élévation de la température superficielle des cylin- dres. L'absence d'influence significative des ad- ditions de Mn et Si sur le taux d'austénite résiduelle après traitement et sur la ténacité du métal traité au niveau de 64 HRC a été vérifiée dans le domaine des teneurs choisies. Il en est de même pour la structure dendritique à la surface des tables. L'addition conju- guée de manganèse et silicium s'est révélée bénéfique pour la tenue en service du cylindre. Les exemples ci-après sont donnés à titre d'illustration de l'invention. Exemple 1: On réalise un-cylindre de travail de diamè- tre de table 325 mm et de longueur de table 1324 mm à une dureté de table de 760 Vickers, soit 92 Shore C, destiné au laminage à froid de bobines en acier au si- licium. Ce cylindre est usiné à partir d'une ébauche forgée dans un lingot d'acier ayant l'analyse suivan- te: C 0,83 - Mn 1,12 - Si 0,89 - S 0,009 - P 0,012 - Ni 0,33 - Cr 1,82 - Mo 0,25 - V 0,11. Le traitement final de la table est réalisé par chauffage superficiel basse fréquence (50 Hz) et trempe à l'eau. On obtient ainsi une épaisseur de la couche trempée de 28,5 mm. A titre de comparaison on réalise un cylin- dre analogue dans la nuance classique: C 0,83 - Mn 0,29 - Si 0,33 - S 0, 007 - P 0,014 - Ni 0,27 - Cr 1,77 - Mo 0,24 - V 0,11. Ce cylindre donne après trempe superficielle basse fréquence une épaisseur de couche trempée de 20,5 mm. On obtient donc grâce à l'invention un ac- croissement de 40 Z de l'épaisseur de la couche trem- pée, dans une nuance moins coûteuse tant au plan des éléments constitutifs que du procédé de fabrication. Les cylindres dans la nuance d'acier selon la présente invention utilisés dans un laminoir quarto réversible ont permis de laminer 3690 tonnes au lieu de 3100 tonnes pour la nuance de comparaison, soit un gain de 19 Z. Exemple 2: On réalise un cylindre de travail pour lami- nage à froid de tôle de carrosserie automobile ayant les caractéristiques suivantes: diamètre de table 535 mm longueur de table 1676 mm dureté de table visée 830 HV. Analyse du métal: C 0,86 - Mn 0,96 - Si 1,19 - S 0,004 - P 0,012 - Ni 0,175 _ Cr 1,66 - Mo 0,22 - V 0,096. Le traitement final de la table est réalisé comme à l'exemple 1. Apres détensionnement et avant ajustement de la dureté, la dureté superficielle est de 875 HV. La profondeur trempée correspondant à une dureté de 700 HV, soit sensiblement 85 Shore C, est de 29,6 mm. L'épaisseur utile des cylindres étant de 27 mm, on peut utiliser la totalité de cette épaisseur avant mise au rebut sans retraitement par retrempe du cylindre. Avec des cylindres en nuance classique 83 CDV 7. analogue à celle de l'exemple 1, l'épaisseur de la couche trempée, après trempe superficielle basse fréquence, mesurée dans les mêmes conditions est de 22 mm. Ceci impose un retraitement pour consommer la totalité de l'épaisseur utile du cylindre. Il est évident que pour un cylindre de même caractéristiques géométriques que précédemment, mais dont le diamétre de table a été porté à 581 mm et l'é- paisseur utile à 50 mm, la nuance selon la présente invention limite à un retraitement l'utilisation tota- le de cette épaisseur, alors qu'il est nécessaire de réaliser deux retraitements avec la nuance de compa- raison. REVENDICATION Cylindre forgé pour laminage à froid réalisé en acier faiblement allié, caractérisé en ce qu'il présente la composition pondérale suivante: C:-0, 76 à 0,92; Mn: 0,70 à 1,40; Si: 0,70 à 1,40; S 0,020; P o.0,025; Ni o0.60; Cr 1,50 à 2,20 Mo: 0,15 à 0,55; V: 0,08 à 0,25; Cu 0,50; le reste étant du fer et des impuretés accidentelles.