Brevet FR2598104A1 — publié le 19871106

-1- 2598104 La présente invention est relative aux tôles composites polymétalliques multicouches et plus particulièrement à la fabrication d'une telle tôle composite polymétallique mince, notamment à base d'acier. Il est particulièrement intéressant pour de nombreuses applications de disposer d'une tôle, notamment d'acier, présentant des propriétés différentes dans l'âme et dans ses couches superficielles. En effet, l'âme d'une pièce en acier, telle qu'une tôle mince emboutie, doit conférer à la pièce la 10 résistance mécanique, l'aptitude à l'emboutissage ou la conductibilité thermique alors que les couches superficielles en contact avec le milieu extérieur doivent résister à l'agressivité de ce milieu ou à son caractère abrasif, ne pas en altérer les propriétés (cas des aliments) et posséder un aspect 15 esthétique,entre autres. On a déjà proposé diverses solutions à ces contraintes parfois antinomiques entre le métal de coeur et le métal de peau, qui consistent en des produits tels qu'une tôle 20 polymétallique stratifiée, c'est à dire une tôle composite formée d'au moins deux couches dont la nature ou la composition des métaux constitutifs de chaque couche est différente. Pour fabriquer ces tôles polymétalliques stratifiées 25 on a recours à différents procédés connus tels que le colaminage à chaud et à froid, le placage par explosion,le rechargement ou la formation d'un matériau sandwich par coulée en lingotière. Le colaminage est le procédé le plus courant. Le 30 colaminage à chaud consiste à superposer deux tôles ou plus par mise en contact de leurs grandes faces, à souder leurs bords et à laminer à chaud le stratifié ainsi obtenu afin d'obtenir une liaison métallurgique des diverses couches. -2- Parmi les inconvénients de ce procédé, citons la médiocre cohésion des couches stratifiées et sa restriction à la fabrication de tôles fortes plaquées. S Le colaminage à froid concerne des produits minces et la liaison n'est pas aussi intime que celle obtenue par le procédé faisant l'objet de la présente invention. Le procédé de placage par explosion consiste à 10 réaliser la liaison métallurgique entre deux tôles superposées grâce à l'impact à grande vitesse de ces dernières sous l'effet de la pression générée par une matière explosive disposée au dessus de la surface libre d'une des tôles. Les inconvénients de ce procédé tiennent aux contraintes de mise en oeuvre (sur un site non habité) ainsi qu'à l'impossibilité de plaquer -un métal d'apport relativement fragile. Le procédé par rechargement consiste à apporter par soudage une couche d'un métal de peau sur une tôle ou une structure ayant déjà subi les étapes de transformation (métal de base constituant l'âme). Les inconvénients de ce procédé tiennent à la - diffusion des éléments d'une des couches dans l'autre, ce qui impose une épaisseur importante de métal d'apport en plussieurs passes. Ce procédé est déconseillé pour les tôles minces qui ont tendance à se déformer sous l'effet thermique lors du soudage. 30 Les procédés consistant à former un matériau sandwich par coulée en lingotière d'un métal d'apport autour d'une plaque comportent tous les inconvénients inhérents à la diffusion des éléments constitutifs d'un des métaux, en particulier le carbone, 35 dans l'autre. D'autre part, l'épaisseur finale de la couche superficielle n'est pas constante. -3- La plupart de ces méthodes présentent des inconvénients à des titres divers et en particulier celui de ne pouvoir fabriquer les produits composites sur des lignes de laminage classiques comportant un laminage, à chaud puis à froid, sans encourir un risque important de décohésion. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé industriel de fabrication d'une tôle mince polymétallique de grande valeur d'usage, 10 présentant notamment des propriétés remarquables d'emboutissabilité, de résistance à la corrosion et de conductibilité thermique. L'invention a ainsi pour objet un procédé de 15 fabrication d'une tôle composite polymétallique comportant au moins deux couches métalliques différentes, notamment d'une t8ôle mince, caractérisé en ce que: a - on recharge une brame constituant le métal de base sur au moins une de ses grandes faces, à l'aide d'un dépôt d'un métal 20 d'apport par refusion sous laitier électroconducteur et b - on soumet la brame rechargée par le métal d'apport à un processus de laminage à chaud puis éventuellement à froid jusqu'à obtention d'une tôle ayant l'épaisseur désirée, dans des conditions usuelles de laminage. 25 Selon une variante, on dépose sur la brame, avant son rechargement par le métal d'apport, une couche formant barrière au phénomène de diffusion des éléments de l'une quelconque des couches du métal de base et du métal d'apport, dans l'autre. 30 Le procédé de fabrication de t8les composites polymétalliques selon l'invention utilise de préférence comme produit de départ une brame de coulée continue, mais peut être appliqué à un lingot méplat ou à un bloom pour produits longs. 15 20 30 35 -4- Le métal de base constitutif de la brame de départ peut être notamment en acier au carbone, en acier faiblement allié, en acier inoxydable ou en alliage de nickel dont la composition chimique est fonction de l'utilisation du produit composite désirée. Le métal d'apport déposé par rechargement sur la brame peut être notamment un acier inoxydable martensitique, austénitique, ferritique ou austéno-ferritique ou tout autre alliage inoxydable ou réfractaire tel qu'un alliage à base de nickel par exemple. Le dépôt du métal d'apport sur la brame est effectué sur une ou les deux faces principales de la brame et la nature du métal d'apport peut être différente sur chacune des faces rechargées. Une des caractéristiques essentielles de l'invention réside dans le dép8t d'une couche barrière à la diffusion entre le métal de base et le métal d'apport qui sera décrite ci après en référence au processus général de fabrication de la tôle composite. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'interposition de la couche formant barrière entre le métal de base et -la métal d'apport peut être évitée si on utilise comme métal de base un acier ayant une teneur en carbone inférieure à 0,050 % en poids. Description détaillée du processus général de fabrication de la tôle composite Préparation de la brame. La brame de coulée continue, par exemple en acier au carbone, subit une opération préalable de préparation de surface généralement effectuée par meulage. La surface ainsi meulée doit être exempte de dépôts ou incrustations d'oxydes, de défauts de solidification du type criques, retassures, etc, et de défauts géométriques. Dépôt d'une couche barrière à la diffusion. (si nécessaire). -5- 9 4 Après meulage la brame est recouverte sur chaque face d'une couche de métal destinée à former écran aux phénomènes de diffusion.5 L'utilisation d'une couche barrière à la diffusion est en particulier nécessaire lorsqu'on utilise une brame en acier au carbone destinée à être rechargée par un métal d'apport tel qu'un acier inoxydable, mais peut être inutile si les compositions chimiques du substrat et du dépôt sont compatibles. 10 La composition de cette couche métallique barrière est définie et adaptée en fonction de la composition du métal de base et du métal d'apport et est choisie parmi des métaux tels que nickel pur, alliages de nickel,aciers inoxydables, fer de 15 haute pureté dont la teneur en carbone est inférieur à 0,050 % en poids. A titre d'illustration pour une brame dont le métal de base est un acier au carbone, on dépose une couche barrière en 20 fer de haute pureté avant le rechargement par un acier inoxydable constituant le métal d'apport.L'épaisseur de la couche barrière est à ajuster suivant le mode opératoire ultérieur de laminage à chaud et à froid et peut aller de 0,1 à 10 mm. La couche métallique barrière destinée à éviter les diffusions est déposée par un procédé de refusion sous flux ou sous laitier électro- conducteur à partir d'un feuillard d'épaisseur allant de 0,1 à 5mm et de largeur allant de 15 à 1250 mm. Le flux utilisé est de type aggloméré, de granulométrie 30 contr8ôlée. Les paramètres électriques du dépôt par refusion de la couche sont, à titre illustratif, respectivement de 800 à 3 000 Ampères pour l'intensité et de 12 à 50 Volts pour la tension. Rechargement par le métal d'apport. :::0: t d:0:::::; :; ::: :: S:ç;: :::: : s ::: ::: 0 :: : S :: : - w: : r.t 15 -: : : ::; 0:; 0 0 : 0 : : : 0 25 : ::: *: : -: :::: -: : : ::; :: : : : : -6- La brame recouverte de la barrière de diffusion est rechargée sur au moins une face à l'aide du métal d'apport dont la composition et l'épaisseur dépendent des conditions d'emploi du produit fini. L'épaisseur de la couche de métal d'apport est définie par les besoins de l'utilisateur. Elle peut varier pour chaque face de 1 à 30 % de l'épaisseur du métal de base. Les dimensions totales de tôles composites ne présentent aucune limite technologique propre au procédé. L'invention permet de réaliser toutes les épaisseurs désirées et sans exclusive (ce qui en fait l'originalité) depuis les produits dits "extra-minces" (épaisseur L 0,5 mm) jusqu'aux tôles fortes obtenues sur quarto. Les dimensions de largeur et longueur sont limitées par celles des installations industrielles de laminage et peuvent à l'avenir évoluer dans les mêmes proportions que lesdites installations. Les couches de rechargement sont déposées par refusion sous laitier électro-conducteur (procédé dénommé refusion ESR). Cette technique possède le double avantage: - de conférer au métal d'apport une propreté inclusionnaire très nettement supérieure aux autres procédés qui ne mettent pas en oeuvre une refusion ESR. Cette propriété permet d'améliorer les propriétés d'emboutissabilité, de résistance à la corrosion et autorise la mise en forme par fluotournage. - de limiter la dilution du métal d'apport par le métal de base, donc de mieux contrôler et maîtriser la composition chimique du métal d'apport. Les paramètres électriques donnés à titre indicatif de la refusion ESR sont les suivants: 7- 2598104 intensité: 800 à 3 500 Ampères tension: 10 à 50 Volts Suivant l'épaisseur de la couche de rechargement désirée, le 5 déeot pourra éventuellement être effectué en une ou plusieurs passes. La feuillard de rechargement possède les mêmes caractéristiques dimensionnelles que le feuillard utilisé pour la 10 réalisation de la couche barrière de diffusion. Transformation à chaud. La brame rechargée par le métal d'apport sur ses deux 15 faces, est transformée en bobine de tôle composite dans les mêmes conditions opératoires que celles des matériaux constituant les couches superficielles à savoir meulage éventuel de la surface, puis laminage à chaud sur un train à larges bandes. Meulage (si nécessaire) Afin de garantir un aspect de surface final parfaitement apte au polissage spéculaire, la brame rechargée subit avant laminage à chaud un léger écroûtage destiné à 25 éliminer totalement les traces de laitier qui pourraient rester et s'y incruster lors de l'écrasement à chaud. Cette opération est réalisée par meulage mécanique sur une machine de forte puissance (150 à 250 KW). La meule, à 30 base de corindon fritté, tourne à grande vitesse (80 m/s) pour une élimination rapide des couche superficielles. Un second passage à faible pression peut être ensuite pratiqué afin d'obtenir une rugosité fine et régulière. 2598 1 04 Laminage à chaud La brame rechargée est réchauffée jusqu'à la température du laminage à chaud. Le laminage peut être réalisé soit sur un train continu (cages dégrossisseuses + cages 5 finisseuses), soit sur un train semi-continu. Dans ce dernier cas, la brame rechargée est amenée jusqu'à l'épaisseur dite ébauche (30 mm environ) par un laminoir réversible, en 5 ou 7 passes successives. Dans les deux cas, la bande composite après son passage dans les cages finisseuses est bobinée à l'épaisseur de 1,5 à 6 mmm. Ce bobinage peut être précédé d'un arrosage intensif à l'eau des deux faces, et éventuellement suivi d'une immersion de la bobine de t le composite dans une piscine d'eau froide. Recuit décapage Zu La bobine de tôle composite brute de laminage à chaud est introduite sur une ligne de recuit décapage continu. L'assemblage avec les autres bobines (composites ou non) de la séquence est assuré par soudage bout à bout dans une zone d'entrée. La bande composite passe ensuite dans un four de recuit 25 o elle atteint une température compatible avec les métaux constitutifs (800 à 1150oC). La bande composite recuite est refroidie, puis grenaillée et décapée par passage dans différents bacs chimiques et/ou électrolytiques. La vitesse de la ligne est définie en fonction à la fois des conditions de recuit et de 30 celles du décapage. Il est en effet utile de rappeler ici que la dissolution des calamines superficielles peut être très variable suivant la nature des alliages déposés à la surface. A ce stade, la tôle composite peut être utilisée en l'état (fini n 1). -9- 2598 104 Selon une autre version, la bobine de tôle composite brute de laminage à chaud peut subir un recuit en vase clos avant l'opération de décapage. Laminage à froid. Après recuit décapage, la bande composite débarrassée de sa calamine est laminée à froid sur un laminoir réversible permettant d'obtenir à la fois une régularité de l'épaisseur et 10 un état de surface proche du poli miroir, en faisant varier le nombre de passes et la qualité de surface des cylindres de travail. Compte tenu de l'épaisseur finale demandée et de la 15 nature de la couche d'alliage déposée en surface, il peut être envisagé un point ou plusieurs points d'arrêt à une épaisseur intermédiaire. Dans ce cas, la bande composite est recuite en continu et décapée sur une ligne du même type que celle décrite précédemment. Cette opération de recuit est éventuellement suivie 20 d'une réparation de surface à la bande abrasive sur une ligne spéciale conçue à cet effet. Finalement, la tôle composite est relaminée par un nouveau passage au laminoir à froid. Recuit final. La tôle composite amenée à l'épaisseur finale, est fortement écrouie, ce qui nécessite un recuit final. Ce dernier peut être réalisé soit à l'air et suivi d'un décapage, soit en atmosphère protectrice (recuit brillant) qui ne nécessite pas de 30 décapage ultérieur. Dans tous les cas, la température de recuit est fonction des métaux en présence dans le composite. La vitesse de passage est fonction soit des conditions du décapage (recuit décapage), soit des conditions thermiques du four (recuit brillant). Skin-pass (si nécessaire) -10- 9 8 1 0 4 Après l'opération de recuit final, la tôle composite peut être traitée sur un laminoir de type Skin-pass.. Le but de ce traitement final est d'améliorer la planéité de la bande composite tout en glaçant sa surface. De plus, le très faible 5 allongement obtenu est suffisant pour effacer le palier de limite élastique typique des aciers extra-doux, dont la présence conduirait au phénomène de vermiculure lors de l'emboutissage du produit. q Arrivée à ce stade, la tôle composite est prête pour les opérations de parachèvement (refendage, cisaillage, coupe à longueur) préliminaires à l'expédition. A titre d'exemple on décrira ci-après la fabrication 15 d'une tôle mince composite dont l'âme est en acier doux et les deux faces rechargées par un acier inoxydable. Un feuillard de largeur 60 mm et d'épaisseur 0,5 mm en fer de grande pureté ayant la composition chimique suivante: 25 C Si S 0,004 0,007 0,024 p 0,004 Mn Cr Ni Mo Ti 0,266 0,015 0,018 0,002 0,002 Cu Co V N Al Fe 0,020 0,010 0,003 0,0043 0,034 99,347 ( % pondéraux) a été utilisé pour réaliser sur chaque face, en plusieurs passes, une couche barrière d'épaisseur 5mm sur une brame de coulée continue, de dimensions 200 x 1200 x 5 000 mm en acier au carbone de composition. C 0,153 Si S P 0,24 0,001 0,019 Mn Fe 1,27 Balance ( % pondéraux) -11- 2598104 Sur la couche barrière, préalablement déposée par un procédé de refusion sous flux, on dépose un métal d'apport à l'aide d'un procédé ESR en utilisant un feuillard de largeur 60 mm et d'épaisseur 0,5 mm, d'acier inoxydable type AISI 304 L, de composition: C Si S P Mn Cr Ni Mo Ti 0,022 0,515 0,005 0,023 1,66 18,14 9,07 0,128 0,002 Al Cu Co Fe V N 0,007 0,087 0,181 70,096 0,059 0,040 (% pondéraux) pour réaliser une couche de rechargement de 25 mm sur chaque face de la brame. La brame ainsi rechargée a été laminée à chaud à 1200 C. La bobine composite a été recuite en continu à 1050 C, décapée, transformée à froid, en deux étapes, avec recuit continu intermédiaire et final à 1050 C, jusqu'à l'épaisseur 0,8 mm. 20 L'aspect de surface des produits obtenus est excellente et la bonne l'adhérence du métal d'apport sur le métal de base, permet d'obtenir des emboutis profondssans décohésion. L'emploi de cette tôle composite se traduit par un gain 25 considérable de la conductibilité thermique par rapport à une t8ôle massive en acier inoxydable 304 L. D'une manière générale, le matériau composite mis au point selon le procédé faisant l'objet de l'invention présente 30 une couche extérieure d'une grande propreté inclusionnaire et d'une bonne adhérence.Par ailleurs, selon les compositions chimiques du substrat et du métal d'apport, le matériau composite peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - bonne résistance à la corrosion par les solutions - bonne tenue à l'oxydation à chaud -12- 9 8 1 0 4 - bonne conductibilité thermique - bonne emboutissabilité - aptitude au fluotournage - bonne propriétés magnétiques - faible coefficient de dilatation. Les utilisations de la tôle selon d'invention sont nombreuses et variées grâce aux qualités particulières apportées par le mode d'obtention du matériau composite. Les échangeurs de chaleur pour les industries chimiques, et pétrochimiques, les diffuseurs et articles culinaires et les silencieux d'échappement peuvent être cités à titre d'exemple. En particulier la tÈle composite polymétallique selon l'invention est particulièrement appropriée pour la fabrication de récipients de cuisson dont seules les couches superficielles sont en acier inoxydable et sur une très faible épaisseur de 20 l'ordre du dixième de mm. On obtient ainsi un article ayant une bonne résistance à la corrosion et une excellente conductibilité thermique qui permet de se dispenser des fonds - rapportés diffuseurs de la chaleur. En outre l'âme de la tÈle mince composite en acier au carbone permet une mise en forme aisée par emboutissage au fluotournage. L'invention a ainsi également pour objet un article 30 conformé tel qu'un récipient de cuisson, une enceinte soumise à une atmosphère corrosive ou un échangeur obtenu par emboutissage ou fluotournage, caractérisé en ce qu'il a été obtenu à partir d'une tôle composite polymétallique fabriquée comme décrit cidessus. - 13 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une tôle composite polymétallique comportant au moins deux couches métalliques différentes, notamment d'une tôle mince, caractérisé en ce que: a - on recharge une brame constituant le métal de base sur au moins une de ses grandes faces, à l'aide d'un dépôt d'un métal d'apport par refusion sous laitier électroconducteur, et b - on soumet la brame rechargée par le métal d'apport à un 10 processus de laminage à chaud puis éventuellement à froid jusqu'à obtention d'une tô1e ayant l'épaisseur désirée, dans les conditions usuelles de laminage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en 15 ce que le dépôt du métal d'apport par refusion sous laitier électroconducteur est réalisé à partir d'un feuillard en acier inoxydable martensitique, austénitique, ferritique ou austénoferritique ou un alliage inoxydable ou réfractraire à base de nickel. 3.Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal de base est un acier ayant une teneur en carbone inférieure à 0,050 % en poids. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose sur la brame, avant son rechargement par le métal d'apport, une couche formant barrière au phénomène de diffusion des éléments de l'une quelconque des couches du métal de base et du métal d'apport dans l'autre. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche formant barrière à la diffusion est déposée par refusion sous flux ou sous laitier électroconducteur à partir d'un feuillard métallique. - 14 - 6. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le métal de la couche formant barrière est du nickel pur, un alliage de nickel, un acier inoxydable ou un fer de haute pureté ayant une teneur en carbone inférieure à 0,050 % en poids. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le métal de base est un acier au carbone. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche formant barrière à la diffusion est de 0,1 à 10 mm 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque couche de rechargement est de 1 à 30 % de l'épaisseur de la couche de métal de base. 10. Article conformé tel qu'un récipient de cuisson, une enceinte soumise à une atmosphère corrosive ou un échangeur obtenu par emboutissage ou fluotournage, caractérisé en ce qu'il a été obtenu à partir d'une t8le composite polymétallique fabriquée par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.