Brevet FR2637915A1 — publié le 19900420

L'invention se rapporte au domaine de la métal- Àlurgie et concerne un acier faiblement allié, un procédé pour son élaboration et ses usages. Cet acier est approprié à son emploi particu- lièrement pour des unités structurelLes à parois épaisses fabriquées par coulée qui sont réunies par soudure au reste d'une construction. Des unités structurelles typiques de ce genre sont les raccords des tubes dans les équipements éloi- gnés des côtes, les embases de pivotement des grues de bateau et de port, les boogies des wagons et des voitures sur rails, les grosses roues dentées et les arbres pour les engrenages des engins de levage. Quand des unités structurelles moulées sont utilisées dans les grandes constructions et assemblées.par soudure pour remplacer des unités composées de tubes et de plaques soudés, grâce à la possibilité de donner librement aux pièces moulées la configuration voulue, les avantages qui sui- vent sont obtenus: - Les cordons de soudure peuvent être éliminés desrégions de concentration des contraintes et placés dans des régions moins fortement sollicitées, - les joints à souder peuvent être déplacés dans des zones o le travail de soudure peut être exécuté plus faci- lement et plus sOrement et o le travail de soudure peut être facilement exécuté par des machines automatiques, - pendant la conception d'une pièce coulée, de la matière peut être ajoutée dans les régions fortement solli- citées et réduite dans les régions moins fortement chargées. De cette façon, le poids de l'unité structurelle peut être diminué et son fonctionnement peut être rendu plus sûr, - les pièces coulées ne risquent pas de se déchi- rer en lamelles, - la pièce coulée peut être profilée selon une géométrie douce, afin que les concentrations des contraintes soient éliminées, - il est possible d'obtenir des épaisseurs de matière qui sont difficiles à obtenir par des combinaisons de plaques et de tubes. En dépit des nombreux avantages mentionnés ci- dessus, les unités structurelles moulées ont été utilisées pLut6t rarement. La raison principale a été que les aciers moulés n'ont pas été disponibles de la même façon que les produits forgés - plaques, tubes et pièces forgées - employés dans ces applications au point de vue de la résis- tance à La traction/La résistance aux chocs/La soudabilité. Le but principal de la présente invention est de parvenir à une nuance d'acier dont les propriétés de résis- tance aux chocs et à la fracturation égalent celles des pro- duits forgés de la même classe de résistance, dans toutes les gammes de températures, mais particulièrement aux basses tem- pératures. La limite élastique minimum de L'acier conforme à l'invention est au moins de 540 MPa et elle peut être ajus- tée jusqu'à 750 MPa par augmentation du degré d'alliage. Les propriétés de résistance aux chocs et à la fracturation de l'acier égalent celles des produits forges de la même classe de résistance jusqu'aux pièces ayant une épaisseur de 200 mm environ. Les produits forgés peuvent être fabriqués avec des propriétés correspondantes jusqu'à une épaisseur de 50 mm environ. L'acier peut être soudé sans préchauffage et aucun traitement thermique n'est nécessaire après le soudage. D'autre part cet acier peut être soudé aussi avec pré- chauffage et, après soudure, il peut être soumis à un traite- ment de recuit éliminant les tensions ou à un recuit de déshydratation sans détérioration de ses propriétés de résis- tance ou de dureté. bans te produit final, l'acier est caractérisé par une microstructure qui consiste en une structure uniforme martensitique en plaquettes/bainitique inférieure dont les limites des grains sont pratiquement exemptes de précipita- -tions et d'inclusions non métalliques. Aucune agglomération de gaz ou de souffLures ne se.produit dans la structure. Une telle microstructure uniforme est effective dans la totalité de la section de la pièce moulée jusqu'à des épaisseurs de mm. Une microstructure optimisée, qui procure la combinaison désirée-de résistance/résilience/soudabilité est obte- nue par le choix de la composition chimique et de traitements thermiques compatibles. Dans la composition chimique, il est essertiel que la teneur en carbone soit basse, au maximum de 0,12 X. En règle générale, la teneur en carbone des aciers connus de cette classe de résistance et destinés à des pièces moulées épaisses est remarquablement plus élevée. En raison de la faible teneur en carbone, les changements du volume spécifique au cours du durcissement restent faibles et donc, aussi, Les contraintes de déformation, qui sont une condition prélimi- naire de la déchirure à froid, restent négligeables.D'autre part, la teneur en carbone a, de préférence, une limite infé- rieure de 0,06 %. Cette quantité de carbone prévient l'infil- tration atomique des impuretés aux joints des grains qui - pourraient favoriser la fragilité à la trempe en dépit des faibles concentrations. -Des tentatives ont été faites pour minimiser la teneur en hydrogène de l'acier. Elle est de préférence de 5 ppm, de manière mieux appropriée, de 2 ppm au maximum. De cette façon aucune fissure à froid ne se produit en relation avec le soudage. En outre, au moyen de cette limitation de la teneur en hydrogène, les phénomènes de fissuration dus à l'hydrogène à l'intérieur des pièces moulées épaisses sont empêchés. Les concentrations du soufre et du phosphore sont très faibles: Smax= 0,01 %, Pma = 0,012 %. La teneur en max max azote est de préférence très faible aussi, au maximum de 100 ppm. Grâce à la limitation de ces impuretés, il est obtenu que Les précipitations ou les infiltrations qui compromettent La dureté ou La soudabilité ne se produisent pratiquement pas, dans aucune gamme de température, et que l'acier conserve aussi sa ténacité après ses diverses histoires métalLurgiques. Afin de garantir une microstructure uniforme et, en conséquence de cette microstructure, une combinaison uniforme de la résistance/la résilience/la soudabiLité à travers les sections d'une épaisseur allant jusqu'à 200 mm, un degré d'alliage relativement important de l'acier est néces- saire. Les concentrations du silicium et du manganèse sont limitées à des niveaux tout à fait bas en dépit de leur remar- quable aptitude à augmenter la dureté. La concentratior du chrome est aussi tout à fait faible. Au contraire, le nickel et le molybdène ont été utilisés abondamment. La combinaison suivante des éléments d'alliage est typique de l'acier: Si Max 0,6 % Mn Max 1 % Cr 0,5... 1,5 X Ni 2... 5 X Mo 0,3... I1 % Avec la combinaison choisie des éléments d'alliage, l'accroissement de la résistance jusqu'à la valeur désirée se fait au moyen d'un renforcement en solution et non pas tant au moyen d'une conversion martensitique. Ce dernier mécanisme est typique des aciers moulés classiques de cette classe de résistance. En raison du degré d'alliage relativement important, l'acier nécessite une trempe et un revenu comme traitements thermiques, le durcissement nécessitant un recuit de mise en solution suivi d'une trempe à l'eau. Toutefois, avec cet acier, ceci peut être effectué sans risque de fissure même quand des pièces de configuration compliquée sont trai- tées car, en raison de la faible teneur en carbone, les chan- gements du volume spécifique lors de la formation de la mar- tensite restent très faibles et-Les contraintes qui se pro- duisent n'approchent même pas du point de rupture de l'acier. Dans L'acier inventé maintenant, des micro- constituants d'alliage, comme le titane, le vanadium, Le niobium, le bore, le zirconium, qui sont typiques des aciers forgés soudables classiques de la cLasse correspondante de résistance, ne sont pas utilisés dans une mesure substantielLe. Les concentrations des microconstituants sont Limitées aux valeurs maximales suivantes: Nb 0,02 Z Ti 0,02 % V 0,03 % Zr 0,02 X B 0,003 % Toutes Les concentrations données ci-dessus sont les concentrations dans Le produit final. L'acier conforme à L'invention peut être élaboré au moyen d'un procédé de fusion en deux étapes: 1. La première étape de la fusion est effectuée dans un four normal à arc, à air, dans lequel, au moyen d'un processus normal d'enlèvement des scories et au moyen d'un soufflage d'oxygène plus précoce que dans un processus clas- sique de fusion, le soufre, Le phosphore, Le silicieum et Le manganèse sont éliminés de l'acier en fusion jusqu'à des teneurs très faibles. En même temps des quantités significa- tives de carbone et de chrome sont éliminées aussi. Dans cette-étape du four à arc électrique la teneur en gaz de - l'acier, en particulier en ce qui concerne l'azote et l'oxy- gène, peut être très élevée. 2. Dans la seconde étape, lorsque L'acier qui a été fondu dans le four à arc électrique a été transféré dans un convertisseur sous vide, il est soumis à une courte opéra- tion de soufflage d'oxygène à L'aide de laquelle une faible concentration d'impuretés néfastes est assurée. Apres quoi Les concentrations des éLéments désirés sont ajustées aux valeurs limites voulues par addition d'éléments d'alliage purs. A ce stade, la teneur en gaz de l'acier peut être élevée. Apres l'adjonction des produits d'alliage et l'élimination des impuretés néfastes, les gaz néfastes sont éliminés de l'acier en fusion par l'établissement dans Le con- vertisseur d'une dépression créant un vide profond (infé- rieur à 5 mbars, de préférence inférieur à 2 mbars) et, au même moment, par agitation de l'acier en fusion au moyen de soufflage d'argon pur envoyé par le dessous de la masse en fusion. Pendant cette étape du procédé, l'oxygène, L'azote et l'hydrogène sont éliminés de l'acier jusqu'à des concentra- tions qui sont si faibles qu'elles n'ont aucun effet affai- blissant sur les propriétés de l'acier solidifié. La pièce coulée est soumise à un traitement de trempe et de revenu qui comprend la trempe à l'eau à 900 C environ, le revenu à 600 C environ et le refroidissement à l'air à la température de l'environnemernt. De cette façon, une résistance au choc de typiquement 100 à 300 J KV à - 40 C et à - 60 C est obtenue pour des pièces moulées jus- qu'à des épaisseurs de paroi de 200 mm. La microstructure est uniformément martensitique en plaquettes/bainitique infé- rieure à travers la totalité de la paroi. L'acier peut être soudé à froid et il ne néces- site pas de subir un traitement thermique après soudage quand l'énergie de la soudure est conservée dans la gamme de 10 à kJ/cm. La zone de déformation due à la soudure satisfait à l'exigence minimale de la matière de base et, dans la zone de la déformation, aucune fissuration à froid ne se produit à moins que le niveau de l'hydrogène dans le cordon de soudure lui-même ne soit supérieur à 10 ppm. REVENDICATIONS 1. Acier mouLé faiblement aLLié, caractérisé en ce que - Les éléments d'alliage propres sont Le nickel, le molybdène et Le chrome, et Leurs concentrations sont Ni 2 à 5 % Mo 0,3 à 1 % Cr 0,5 à 1,5 % - Les concentrations du silicium et du manga- nèse sont Si 0,6 % max Mn 1 % max - la teneur en carbone est C 0,12 % max - les concentrations des microconstituants, niobium, titane, vanadium, zirconium et bore sont Nb 0,02 % max Ti 0,02 % max V 0,03 X max Zr 0,02 % max B 0,003 % max - les concentrations des impuretés comme le soufre et le phosphore sont S 0,01 % max P 0,012 % max 2. Acier selon la revendication 1,caractérisé en ce que les concentrations de l'hydrogène et de l'azote sont H 5 ppm max N 100 ppm max 3. Acier selon l'une quelconque des revendica- tions I ou 2, caractérisé en ce que les concentrations des éléments d'alliage sont: Ni 2,3 à 2,7 Mo 0,3 à 0,5 Cr I à 1,5 4. Acier selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2, caractérisé en ce que Les concentrations des éléments d'alliage sont Ni 4,2 à 5 Mo 0,5 à 0,7 Cr 0,5 à 1 5. Acier selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que les concentrations du silicium et du manganèse sont Si 0,3 % max Mn 0,5 X max 6. Acier selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que les concentrations des microconstituants sont - Nb 0,01 %X max Ti 0,01 % max V 0,02 X max Zr 0, 01 % max B 0,002 % max 7. Acier selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que les concentrations des impuretés sont S 0,005 % max P 0,01 % max 8. Acier selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en carbone est C 0,10 % max 9. Acier selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8 caractérisé en ce que les concentrations de l'hydrogène et de l'azote sont H 2 ppm max N 60 ppm max 10. Procédé pour l'élaboration d'un acier moulé faiblement allié, caractérisé en ce que cet acier, conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, est obtenu au moyen d'un procédé de fusion en deux étapes selon lequel: I dans une première étape, les impuretés qui se trouvent sous forme solide à l'état solidifié sont élimi- nées en même temps qu'est permis un accroissement important de la teneur en gaz de l'acier, et m dans une seconde étape, après réglage des éléments d'alliage, les gaz sont éLiminés au moyen d'un vide profond et d'une agitation à l'aide d'un gaz inerte. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le vide est inférieur à 5 mbars. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le vide est inférieur à 2 mbars. 13. Procédé selon l'ure quelconque des revendi- cations 10 à 12, caractérisé en ce que, pendant la seconde étape, l'acier en fusion est agité par de l'argon souffLé par le dessous dans la masse en fusion. 14. Procédé po-ur le moulage de pièces moulées en acier faiblement allié, caractérisé en ce qu'une pièce moulée est réalisée à l'aide d'un acier selon une quelconque des revendications I à 9 ou d'un acier produit conformément à une quelconque des revendications 10 à 13, cette pièce moulée est durcie à une température de 900 C environ par trempe à l'eau, soumise à un revenu à une température de 600 C environ et refroidie à l'air à la température du milieu environnant, si bien que la microstructure du produit final est substartiellement martensitique en plaquettes/bainitique inférieure.