Brevet FR2619734A1 — publié le 19890303

La présente invention concerne le domaine de la métallurgie et a notamment la rénovation des surfaces des articles d'acier. Il est avantageux d'utiliser la présente invention à la rénovation des cylindres en aciers hypereut;ec- tordes des cages universelles des laminoirs à chaud pour profilés en H et en I à ailes parallèles, qui travaillent selon des cycles complexes et avec de grandes différences de températures. Le développement de l'industrie, en particulier de la sidérurgie, a provoqué un accroissement des besoins en articles d'acier, par exemple, en cylindres fonctionnant sous des charges dynamiques et des efforts thermiques variables. Le perfectionnement de la technologie du laminage impose des conditions plus sévères auxquelles doivent satisfaire les cylindres et leurs surfaces actives. Pour assurer une haute productivité des laminoirs, les cylindres doivent posséder une dureté suffisante, de bonnes résistances à la compression, à la flexion, aux chocs dynamiques et thermiques, une haute résistance à l'usure, une résistance élevée aux charges statiques et de plus, il est nécessaire que leurs surfaces actives soient de bonne qualité, du fait que les profilés laminés doivent satisfaire à des exigences sévères en ce qui concerne les qualités de surface et les dimensions géométriques. Souvent, l'usure irrégulière des surfaces actives des cylindres des laminoirs au cours du travail a baissé la qualité des produits laminés et conduit à un écart des dimensions linéaires par rapport aux valeurs imposées. A l'heure actuelle le problème de la rénovation des cylindres en aciers hypereutectoides à leurs dimensions initiales n'est pas résolu. Les cylindres usés sont usinés jusqu'à une dimension inférieure ou on recouvre ceux-ci d'un nouveau bandage, ou ils sont soumis à une nouvelle fusion qui entraîne une consommation considérable d'acier allié au Chrome, au Molybdène, au Nickel, etc. Les technologies de restauration des surfaces actives des cylindres utilisées actuellement ne permettent pas d'obtenir une couche de recharge adhérant solidement à la surface du cylindre restauré. On connaît bien un procédé de restauration de la surface usée des articles en aciers hypoeutectoTdes par rechargement avec un acier. Les aciers hypoeutec toEddes contiennent moins de 0,8% de Carbone. On sait que des aciers hypoeutectoides dont la teneur en Carbone est inférieure à 0,4% sont caractérisés par une soudabilité satisfaisante. Le matériau à recharger utilisé dans le cas général est une barre ou un fil qui est appliqué (e) sur un article à restaurer par n'importe quel procédé de soudage. En conséquence, on forme un cordon de recharge. Une succession de cordons appliqués successivement forme une couche sur la surface d'un article à restaurer. Si l'article à restaurer est un cylindre d'un laminoir on le fixe sur un tour et le cylindre à traiter tourne pendant le processus de rechargement. Le cordon sera appliqué suivant une ligne hélicofdale et formera une couche de recharge. Au cours du rechargement, le matériau de la barre ou du fil est fondu, appliqué à la surface d'acier du cylindre à restaurer, il se refroidit et se durcit, en formant une couche adhérant à la surface du cylindre d'acier. Toutefois, l'utilisation d'un article restauré fait apparaître que la surface restaurée comprend des bandes , de résistances différentes. Dans ce cas, les bandes de plus faible résistance correspondent aux zones de contact entre les cordons de recharge. Cette hétérogénéité de la couche de recharge influe d'une manière négative sur la qualité de la surface des laminés. Dans la zone de contact de la couche de recharge d'acier avec le métal sous-jacent a lieu une transformation martensitique ; en conséquence, une couche martensitique ou baTnito-martensitique se forme et nuit à l'adhérence de la couche de recharge à la surface de l'article à restaurer. Une méthode visant à égaliser la résistance en surface de la couche d'acier rechargée sur un cylindre usé et, par conséquent, à améliorer la qualité des laminés a été décrite dans le brevet USA NO 3,549,410. Le procédé connu consiste à chauffer au préalable un article, par exemple, un cylindre, puis à recharger la surface du cylindre préchauffé en formant un cordon de recharge. Ensuite, on forme une couche sur la surface à restaurer du cylindre constituée par une série de cordons déposés successivement. La couche ainsi formée est refroidie à l'air jusqu'à la température du cylindre chauffé au préalable. L'acier rechargé à une température M5 ("star of martensite transformation, départ de la transformation en martensite) inférieure à la température du chauffage préalable du cylindre. Dans ce cas, le cylindre est préchauffé jusqu'à une température supérieure à la température Ms de l'acier à recharger mais au-dessous de 13000F (environ 7000C).De ce fait, l'acier rechargé ne subira plus au cours de son rechargement aucune transformation martensitique sur la surface à restaurer. Ceci permet de supprimer le revenu de la surface de contact des cordons entre eux au cours du rechargement, ce qui contribue à une haute homogénéité de la résistance de la couche rechargée formée au cours du refroidissement jusqu'à la température du milieu environnant. Cependant, l'utilisation des cylindres avec des charges cycliques complexes et de grandes différences de températures a démontré que la fiabilité de l'adhérence de la couche rechargée à la surface à restaurer du cylin dre est la particularité la plus importante. Le procédé connu n'assure pas cette adhérence fiable. Cet inconvénient est dû à ce que, comme mentionné dans le brevet, la température Ms typique d'un acier à recharger se trouve généralement entre 3500 et 7500F (environ 170 à 3700C). On sait que la plupart des cylindres de laminoirs sont fabriqués à partir d'aciers dont la température M5 est supérieure à la température Ms de l'acier de recharge. De ce fait, la température Ms du matériau du cylindre est supérieure à la température du chauffage préliminaire du cylindre, ce qui aboutit à une transformation martensique au cours du rechargement dans la zone de contact du cylindre avec le métal de chaque cordon de recharge. Cette dernière circonstance contribue à la formation de fissures et nuit à la liaison de la couche rechargée avec le métal du cylindre. Cet inconvénient devient particulièrement grave en cas de rénovation des surfaces usées des cylindres fabriqués à partir d'aciers ayant une teneur élevée en Carbone y compris ceux en aciers hypereutectordes et en adamite. De plus, le processus de rechargement provoque une hétérogénéité chimique dans la zone de contact de la couche rechargée avec le métal du cylindre par suite d'un chauffage rapide de ladite zone lors de l'apport d'un cordon. Pendant le refroidissement du cylindre jusqu'à la température du milieu environnant, l'hétérogénéité susmentionnée conduit à l'irrégularité des transformations structurelles telles que martensitiques, bainitiques, perlitiques, etc., ce qui contribue à la formation de structures hétérogènes dans la zone de contact. Cela diminue la plasticité et la résilience de la zone de contact et crée des conditions favorables à la formation de fissures et à l'exfoliation du métal rechargé au cours du travail de laminage. On s'est donc proposé de mettre au point un procédé de restauration de la surface d'un article d'acier dans lequel le régime de chauffage préalable de cet article et le choix de la vitesse de rechargement des cordons assure une adhérence sûre du métal de base avec la couche de recharge. Le procédé, selon l'invention, de rénovation de la surface d'un article en acier consiste à chauffer au préalable ledit article jusqu'à une température supérieure à la température Ms du métal de l'article et en tous cas au moins à 3000C, ensuite à recharger, avec un acier dont la température Ms est inférieure à la température du chauffage préalable, la surface à restaurer de l'article chauffé au préalable, en formant ainsi un cordon de recharge, puis à former une couche sur la surface à restaurer de l'article, formée par une suite de cordons appliqués successivement, la vitesse de recharge assurant le chauffage d'au moins trois cordons rechargés jusqu'à une température supérieure à la température A1 mais inférieure à la température Tsol (température de solidification) du métal de l'article, à refroidir ultérieurement à l'air là couche de rechargement jusqu'à la température du chauffage préalable de l'article. Ce mode de réalisation du procédé assure une adhérence fiable de la couche rechargée à la surface à restaurer des articles d'acier, par exemple des cylindres, et assure simultanément une haute homogénéité des caractéristiques de résistance de la surface de la couche rechargée. Le chauffage préliminaire du métal de l'article à rénover au-dessus de sa température Ms, la température minimale du chauffage étant environ de 3000C, est~néces- saire pour éliminer la transformation martensitique et réduire les contraintes thermiques dans la zone de contact du métal de l'article avec le métal de la couche rechargée. Dans le cas où le métal de l'article est chauffé au-dessous de sa température Ms, des structures martensitiques ou martensito-bainitiques se forment dans la zone de contact, ce qui élève le niveau des contraintes. L'application successive des cordons du métal de recharge conduit à un revenu de la zone de contact avec un haut gradient de température en engendrant ainsi des contraintes thermiques supplémentaires qui contribuent à la fissuration.Abaisser la température minimale du chauffage préalable du métal de l'article au-dessous de 3000C aboutit également à l'intensification des contraintes thermiques dans la zone de contact, ce qui influe d'une manière défavorable sur la fiabilité de la fixation de la couche rechargée sur la surface à restaurer de l'article. Cet inconvénient aboutit à l'exfoliation du métal rechargé pendant l'utilisation de l'article. La minimisation de la température du chauffage préalable de l'article est liée à la réduction de la consommation d'énergie et du coût de l'article. Il est bien évident que la limite supérieure de la température du chauffage préalable de l'article ne doit pas dépasser la température de la fin de la cristallisation du métal de la couche à recharger.Le recouvrement de la surface à restaurer d'un article s'effectue à une vitesse qui assure le chauffage d'au moins trois cordons précédemment appliqués à une température supérieure à la température A1 mais inférieure à la température Tsol du métal de l'article. Au cours de la formation d'une couche, chaque cordon précédemment rechargé dans la direction de l'accroissement de la couche assure l'ambiance thermique dans laquelle se forme la structure à grains fins -austénitiques ou d'austénitecarbure dans la couche superficielle du métal de l'article préparé à recevoir le cordon suivant.De plus, le cordon appliqué crée un champ thermique dans l'intervalle A1 - Tsol dans la zone de contact d'au moins trois cordons précédemment apportés, dont le dernier se joint latéralement au cordon susmentionné et avec le métal sous-jacent de l'article à recharger. Cependant une haute vitesse d'évacuation de la chaleur due à la masse de l'article réduit fortement le temps pendant lequel la zone de contact est à une température supérieure à la température A1, ce qui assure la conservation de la structure à grains fins dans ladite zone de contact. En même temps, la composition chimique du métal en général en ce qui concerne les teneurs en Carbone C et en Azote N s'égalisent au sein de ladite zone de contact. La formation de la structure à grains fins austénitique ou d'austénite-carbure et l'uniformisation de la composition chimique contribuent à la formation de structures homogènes à grains fins martensitique et de martensite-carbure, etc... résistant à la formation de fissures au cours de la décomposition de l'austénite susmentionnée pendant le refroidissement d'un article restauré jusqu'à la température du milieu environnant. En rechargeant le cordon à la vitesse susmentionnée on réduit les contraintes thermiques du métal dans la zone de contact de la couche rechargée avec le métal de base de l'article. Le champ thermique de chaque cordon rechargé crée une zone intérmédiaire de mélange ayant une haute teneur en Carbone C et en éléments d'alliage au sein de la couche superficielle du métal de l'article à récharger. En conséquence, l'austénite alliée ayant une température Ms inférieure à 200C se forme après la cristallisation du métal de la zone intermédiaire de mélange qui forme ainsi une couche intermédiaire entre la couche rechargée et le métal de base de l'article. Cette couche intermédiaire conserve la structure austénitique lors du refroidissement de l'article restauré jusqu'à la tempé rature du milieu environnant. C'est pourquoi ladite couche intermédiaire fait fonction de barrage empêchant le développement des fissures dans le métal de la couche rechargée sur l'article pendant le travail de ce dernier. Les fissures changent de direction, se ramifient et leur développement en est freiné. Le couche intermédiaire métallique ayant la structure de l'austénite alliée et le métal de la zone de contact ayant les structures homogènes à grains fins martensitique, de martensite-carbure, etc ... possèdent une plasticité suffisante et une bonne résilience qui diminuent naturellement la susceptibilité à la fissuration et assurent une liaison sûre du métal de la couche rechargée avec le métal de base de l'article. Il est recommandé d'utiliser pour le rechargement un acier dans lequel les constituants sont en % en masse 0,1 à 0,25 de C 0,6 à 5,9 de Mn 0,7 à 1,1 de Si 5,0 à 20,2 Cr O à 9,6 Ni O à 1,2 de Mo 0 à 0,4 V moins de 0,03 de S moins de 0,03 de P Le Fer faisant le complément à 100%. En utilisant l'acier de la composition susmentionnée pour la constitution des cordons de recharge sur une surface à restaurer d'un article, on assure la formation d'une couche intermédiaire constituée par l'austénite alliée ayant une température M5 inférieure à 200C, après la cristallisation du métal de la zone intermédiaire de mélange. Pendant le refroidissement d'un article restauré jusqu'à la température du milieu environnant, la structure de la couche intermédiaire ne subit aucune transformation, ce qui élève la fiabilité de l'adhérence du métal de la couche rechargée au métal de l'article. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux dans la description qui va suivre des modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Le procédé de rénovation des surfaces des articles d'acier, par exemple des cylindres en acier hypereutectoIde des cages universelles des laminoirs à chaud produisant des profilés en H et en I à ailes parallèles, est mis en oeuvre, selon l'invention, comme suit. On chauffe le cylindre au préalable jusqu'à une température supérieure à la température Ms du métal de l'article à restaurer, la température minimale du chauffage étant 3000 C. Ensuite, on effectue la recharge du cylindre chauffé au préalable par n'importe quel mode convenable. Pour le rechargement, on utilise un acier dont la composition est la suivante, % en masse : 0,1 à 0,25 de C, 0,6 à 5,9 de Mn, 0,7 à 1,1 de Si, 5,0 à 20,2 de Cr, O à 9,6 de Ni, O à 1,2 de Mo, O à 0,4 de V, S inférieur à 0,03, P inférieur à 0,03, le Fer faisant le complément à 100% et dont la température Ms est inférieure à la température du chauffage préliminaire. Le rechargement est effectué sous forme d'un cordon, la série des cordons appliqués successivement sur la surface à restaurer du cylindre formant une couche.Le chauffage préliminaire du cylindre à restaurer dans l'intervalle de températures défini plus haut prévient la transformation martensitique et diminue les contraintes thermiques dans la zone de contact du métal de base de l'article avec le métal de la couche rechargée. Le rechargement de la surface à restaurer se fait à une vitesse assurant le maintien d'au moins trois cordons précédemment appliqués au-dessus de la température A1 mais au-dessous de la température Tsol du métal du cylindre. Le champ thermique de chaque cordon appliqué crée, dans la couche superficielle restaurée de métal du cylindre, une zone intermédiaire de mélange ayant une haute teneur en Carbone et en éléments d'alliage.La zone susmentionnée de mélange cristallise par suite d'une vitesse élevée d'évacuation de la chaleur résultant de la masse du cylindre et forme une couche intermédiaire solide. Elle est constituée par l'austénite alliée ayant une température Ms inférieure à 200C. En outre, le champ thermique issu de chaque cordon rechargé entrasse la formation d'une structure austénitique ou d'austénite-carbure à grains fins dans le métal de la zone de contact du métal du cylindre avec le métal de la couche rechargée.Pendant le refroidissement du cylindre restauré jusqu'à la température du milieu environnant, la structure de la couche intermédiaire ne subit aucune transformation, tandis que le métal de la zone de contact se transforme en une structure homogène à grains fins martensitique, de martensite-carbure, etc... possédant une plasticité suffisante et une bonne résilience qui réduisant naturellement la susceptibilité du métal à la fissuration. La couche intermédiaire métallique ayant une structure d'austénite alliée et le métal de la zone de contact ayant des structures homogènes à grains fins martensitique, de martensite-carbure, etc... assurent l'adhérence fiable du métal de la couche rechargée avec le métal de base de l'article à recharger.La tenue en service des cylindres, dont la surface a été restaurée conformément au procédé de l'invention, est égale ou supérieure à celle de cylindres neufs. Exemple 1 On a restauré les surfaces actives d'un cylindre de 1410 mm de diamètre de la compagnie GONTERMANN PEIPERS, GmbH dont le métal a la composition suivante, en enmasse) : 1,51 de C, 0,70 de Mn, 0,35 de Si, 1,15 de Cr, 1,00 de Ni, 0,30 de Mo, 0,030 de S au maximum ; 0,030 de P au maximum, le Fer faisant le complément à 100%. Ce cylindre est utilisé pour le laminage des profilés en H sur des laminoirs universels à poutre. Pour le rechargement on utilisait un fil de composition suivante, en masse : 0,25 de C ; 0,60 de Mn ; 1,10 de Si ; 5,20 de Cr ; 1,20 de Mo ; 0,40 de V, 0,030 de S au maximum 0,030 de P au maximum, Fer complément à 100%. La température Ms du métal du cylindre est de 1900 C, la température Ms du métal du fil est de 2600C.On chauffait le cylindre au préalable jusqu'à la température de 3200C et on a maintenu cette température pendant tout le processus de formation de la couche par la suite des cordons rechargés successivement par fusion dans un milieu protecteur, par exemple dans l'Argon. Pendant la formation de la couche, chaque cordon précédement rechargé, si l'on regarde dans la direction de l'extension de la couche, crée un champ thermique dans un intervalle de températures de 870 à 10200C dans la couche superficielle du métal du cylindre préparée pour l'application du cordon ultérieur. Ce champ contribue à la formation d'une structure austénitique à carbure à grains fins dans ladite couche superficielle du cylindre. De plus, ce cordon rechargé crée un champ thermique dans un intervalle de températures de 1150 à 8100C dans la zone de contact du métal des trois cordons précédemment rechargés avec le métal du cylindre sur une profondeur de 2 mm par rapport à la surface de contact.La structure d'austénite-carbure à grains fins est conservée et la composition chimique générale du métal en ce qui concerne les teneurs en Carbone et en Azote s'égalise au sein de ladite zone. Le champ thermique de chaque cordon rechargé fondu crée, dans la couche superficielle du métal du cylindre, des zones intermédiaires de mélange par fusion avec une haute teneur en Carbone et éléments d'alliage, par exemple, la teneur en Carbone va jusqu'à 1,50 en masse et celle de Chrome jusqu'à 5% en masse, etc Ladite zone de fusion cristallise à la suite d'une vitesse élevée d'évacuation de la chaleur due à la masse du cylindre et une couche intermédiaire se forme constituée par de l'austénite alliée ayant une température M5 égale à -1500C. La vitesse moyenne de refroidissement du métal du cylindre à une profondeur de 2 mm à partir de la zone de mélange par fusion est d'environ 300/s. Le cylindre avec la couche rechargée a été refroidi jusqu'à la température du milieu environnant. Il convient de noter que grâce à ce refroidssement la structure du métal de la couche intermédiaire n'a pas changé alors que le métal de la zone de contact du métal du cylindre avec le métal de la couche rechargée s'est transformé en structure de martensite-carbure, etc... à grains fins. Il s'ensuit que le métal de la zone de contact possède une plasticité suffisante et une bonne résilience, ce qui abaisse naturement la susceptibilité à la fissuration. La couche métallique intermédiaire ayant la structure de l'austénite alliée et le métal de la zone de contact ayant des structures homogènes à grains fins de martensite-carbure, etc ... assurent une liaison fiable du métal de la couche rechargée avec le métal du cylindre. La dureté BRINELL du métal de la couche rechargée a été de 520 HB. C'est pourquoi pour réduire la dureté de la couche rechargée jusqu'au niveau de la dureté du cylindre monté sur le laminoir on a chauffé le cylindre renouvelé jusqu'à la température de 6500C en le meintenant à cette température pendant 4 heures. Après cela, la dureté BRINELL du cylindre a été de 380 HB ce qui correspondait à la dureté du cylindre en état neuf de livraison. Les cylindres, dont la surface active a été reconstituée ont montré une tenue en service égale à celle des cylindres fornis par la compagnie GONTERMANN PREIPERS, GmbH. Exemple 2. On effectuait la rénovation des surfaces actives d'un cylindre de la même compagnie. Pour le chargeme#nt, on utilisait un fil d'acier de constituants suivants, (% en, masse) : 0,10 de C ; 5,90 de Mn ; 0,70 de Si ; 20,20 de Cr, 9,60 de Ni ; 0,030 au maximum de S et 0,030 au maximum de P, le Fer faisant le complément à 100%. la température Ms du métal du fil était de -600C. Le procédé de rénovation des surfaces du cylindres a été réalisé de façon analogue au cas décrit dans l'exemple 1. La dureté BRINELL du métal de la couche rechargée était de 220 HB. Du fait que cette dureté était insuffisante pour les cylindres, on a soumis leurs surfaces actives au durcissement, après lequel la dureté BRINELL superficielle du cylindre atteint 380 HB. La tenue en service des cylindres restaurés était comparable à la tenue en service de cylindres neufs de la compagnie GONTERMAN PEIPERS, GmbH. Le procédé revendiqué est destiné à la rénovation des cylindres horizontaux et verticaux fabriqués à partir des aciers hypereutectoides utilisés dans des laminoirs universels à poutres ainsi que dans des laminoirs équipés de cages universelles. Dans le procédé revendiqué on a mis au point une technologie du rechargement des surfaces actives latérales et de la table de travail du cylindre qui assure la formation d'une couche rechargée liée d'une façon fiable au corps de la table de travail du cylindre et le durcissement des surfaces usées en une seule passe sans créer de sous-couche, l'épaisseur de la couche rechargée étant de 10 à 12 mm. La technologie revendiquée de rénovation des cylindres en aciers hypereutectoides et en adamite permet - d'obtenir en une seule passe une tenue en service des cylindres qui est identique ou supérieure à la tenue en service des cylindres neufs - de réduire la dégradation des surfaces actives des cylindres d'un groupe de finition jusqu'à une valeur de 0,04 à 0,20 mm en cas de laminage en une seule campagne de 2500 à 3500 tonnes de profilés laminés en H sur des laminoirs universels à poutres en fonction du profilé laminé et de la nuance de l'acier. - d'améliorer la qualité de la surface des cylindres et d'éléver en conséquence la qualité des produits laminés. Il est à noter que l'invention n'est pas limitée uniquement à la rénovation de la surface des cylindres. Elle est applicable sur une vaste échelle y compris aux articles en adamite. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. En particulier, elle comprend tous les moyens décrits ainsi que leurs combinaisons constitutants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de rénovation des surfaces d'un article d'acier qui consiste à chauffer préalablement ledit article, ensuite à la recharger d'un acier, dont la température Ms est inférieure à la température du chauffage préalable, sur la surface à restaurer de l'article chauffé au préalable, en formant ainsi un cordon de recharge, à former ainsi une couche sur la surface à restaurer de l'article, formée par la suite des cordons appliqués successivement, à la refroidir ultérieurement à l'air jusqu'à la température du chauffage préalable de l'article, caractérisé en ce qu'on chauffe l'article jusqu'à une température supérieure à la température Ms du métal de l'article et au moins de #1ordre- de 3000C, en ce qu'on effectue le rechargement de l'acier dans un milieu protecteur à une vitesse assurant le chauffage d'au moins trois cordons précédemment appliqués jusqu'à une température supérieure à la température A1, mais inférieure à la température Tsol du métal de l'article. 2. Procédé de rénovation des surfaces d'un article d'acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise pour le rechargement un acier contenant les constituants suivants, % en masse 0,10 à 0,25 de Carbone 0,60 à 5,90 de Manganèse 0,70 à 1,10 de Silicium 5,00 à 20,20 de Chrome O à 9,60 de Nickel O à 1,20 de Molybdène O à 0,40 de Vanadium 0,03 au maximum de Phosphore 0,03 au maximum de Soufre, le Fer faisant le complément à 100%. 3. Procédé de rénovation des surfaces d'un article en acier selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il est appliqué aux cylindres de laminoir.