Brevet FR2665181A1 — publié le 19920131

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une tôle d'acier magnétique à grains non orientés et la tôle obtenue par ce procédé. On connaît un procédé comportant successi- vement, après élaboration sous vide d'un acier de faible teneur en silicium: un laminage à chaud; une opération de grenaillage et de déca- page acide; un laminage à froid en une ou plusieurs étapes suivie(s) d'un recuit pour obtenir une tôle à l'épaisseur finale, le recuit final étant réalisé sous atmosphère contrôlée décarburante. Un tel procédé est connu et utilisé couram- ment dans le domaine de la réalisation de tôles magné- tiques à grains non orientés. Les tôles magnétiques dites à grains non orientés, c'est-à-dire ayant des propriétés magné- tiques isotropes sont plus particulièrement destinées à la construction de dispositifs électromagnétiques dans lesquels le flux magnétique généré par les en- roulements électriques n'est pas constant, comme par exemple dans les machines tournantes Certains trans- formateurs utilisés dans le domaine de l'électromé- nager utilisent ce type de qualité pour des raisons économiques. Ces dispositifs électromagnétiques sont constitués de tôles découpées et assemblées Ces der- nières ont un degré d'efficacité qui s'évalue en fonction de deux paramètres qui sont le niveau d'in- duction d'une part, et les pertes totales spécifiques, d'autre part. L'induction est limitée par l'aimantation à saturation des tôles et cette aimantation est d'au- tant plus élevée que le matériau est riche en fer Ce- pendant, il est nécessaire d'augmenter la résistivité de l'acier par addition de silicium et/ou d'aluminium afin de diminuer les pertes par courant de Foucault. L'élaboration sous vide permet d'améliorer la propreté et la pureté de l'acier et de réduire ainsi les pertes par hystérésis. Aussi, il est nécessaire de trouver un com- promis entre les tôles à forte aimantation à satura- tion et à faibles pertes. Les tôles à grains non orientés élaborées avec un acier dont la teneur en silicium est d'environ 3 % ont actuellement les meilleures caractéristiques magnétiques de perte et une aimantation à saturation moins élevée que les tôles magnétiques dont l'acier ne contient pas ou peu de silicium. Dans certains domaines d'applications indus- trielles, o le choix technique d'un dispositif est un compromis entre ses performances techniques et son coût, on utilise des tôles magnétiques à grains non orientés élaborées avec un acier ne contenant r dans sa composition, qu'une très faible teneur en silicium, c'est-à-dire une teneur inférieure à 0,5 %. Du fait que l'élaboration des tôles en acier sans silicium reste plus aisée, donc plus économique, les industriels préfèrent utiliser un tel acier et cherchent à améliorer les caractéristiques magnétiques des tôles obtenues. Dans un autre domaine de fabrication de tôles magnétiques, dites à grains orientés, le procédé de fabrication comprend, après élaboration d'un acier contenant dans sa composition une teneur en silicium d'environ 3 %, du soufre, du manganèse, de l'aluminium et de l'azote pour former des inhibiteurs tels que le sulfure de manganèse ou le nitrure d'aluminium un laminage à chaud; une opération dite de recuit initial con- sistant à élever la température de la tôle laminée à chaud pendant quelques minutes sous atmosphère con- trôlée; une opération de grenaillage et de déca- page acide; une opération de laminage à froid suivie de recuits en atmosphère contrôlée. Obtenues par ce procédé, les tôles dites à grains orientés ont une très forte proportion de grains ayant une orientation ( 110) l 0013 Ces tôles possèdent d'excellentes propriétés magnétiques dans la direction du laminage Elles sont anisotropes, c'est- à-dire que leurs propriétés dépendent de la direction de laminage C'est ainsi que, par exemple, les pertes d'une tôle magnétique de composition courante, de 0,35 mm d'épaisseur, sont trois fois plus élevées dans la direction perpendiculaire au sens du laminage que dans la direction du laminage. Les tôles à propriétés magnétiques aniso- tropes présentent donc l'inconvénient de ne pouvoir être employées que pour les applications dans les- quelles les lignes de champ magnétique correspondent à la direction du laminage Il s'agit donc de les utili- ser pour des machines statiques telles que les trans- formateurs. Dans l'élaboration des tôles à grains orien- tés, l'opération initiale de recuit après le laminage à chaud a pour fonction d'influer sur l'état des pré- cipités, par exemple de Mn S et/ou de Al N par rapport à la microstructure des tôles de façon à favoriser le développement ultérieur de la croissance de grains orientés pour former une texture de GOSS. L'invention a pour but d'améliorer les ca- ractéristiques magnétiques de tôles à grains non orientés réalisées avec un acier ne contenant pas ou ne contenant que très peu de silicium, c'est-à-dire de réduire les pertes magnétiques et d'augmenter l'aiman- tation sous un champ magnétique déterminé. Elle a pour objet un procédé d'élaboration de tôles magnétiques à grains non orientés dans lequel on soumet la tôle d'acier à au moins un traitement thermique après le laminage à chaud et préalablement au laminage à froid. Ce traitement thermique préalable contribue de façon inattendue à une amélioration des qualités magnétiques, c'est-à-dire une diminution des pertes totales spécifiques et aussi une augmentation de l'aimantation. Il peut être effectué avant ou après l'opé- ration de grenaillage et de décapage acide et ses ca- ractéristiques sont les suivantes: une mise sous atmosphère contrôlée, une élévation en température comprise dans l'intervalle 700-1100 'C, un maintien en température pendant un temps compris dans l'intervalle de 1 à 10 minutes. Par ailleurs et de préférence: la température du traitement thermique préalable est comprise dans l'intervalle 800-1050 'C: le temps de maintien de la température du traitement thermique est compris dans l'intervalle de 1 à 4 minutes; l'atmosphère contrôlée est constituée es- sentiellement d'azote. L'invention concerne également la tôle ma- gnétique à grains non orientés obtenue selon le pro- cédé et ayant les caractéristiques suivantes: pour une tôle ayant une épaisseur d'en- viron 0,5 mm, les pertes spécifiques à 1,5 Tesla et 50 Hertz sont inférieures à 6,3 W/Kg et l'aimantation est supérieure à 1,65; 1,74; 1,85 Tesla, respectivement sous des champs magnétiques de 2500, 5000, 10000 A/m. de préférence les pertes spécifiques à 1,5 Tesla et 50 Hertz sont inférieures à 5,1 W/kg et l'ai- mantation est supérieure à 1,68, 1,77; 1,89 Tesla, respectivement sous des champs magnétiques de 2500, 5000, 10000 A/m. pour une tôle ayant une épaisseur d'envi- ron 0,65 mm, les pertes spécifiques à 1,5 Tesla et 50 Hertz sont inférieures à 7,5 W/kg et l'aimantation est supérieure à 1,66, 1,75, 1, 86 Tesla respectivement sous des champs de 2500, 5000, 10000 A/m. de préférence, les pertes spécifiques à 1,5 Tesla et 50 Hertz sont inférieures à 7,1 W/Kg et l'aimantation est supérieure à 1,67; 1,76; 1,88 Tesla, respectivement sous des champs magnétiques de 2500, 5000, 10000 A/m. Les caractéristiques magnétiques et méca- niques obtenues dans les essais comparatifs qui suivent sont données à titre d'exemple non limitatif, et mettent bien en évidence l'invention. Dans un premier exemple de réalisation de l'invention, l'acier utilisé pour la fabrication de tôles magnétiques a la composition pondérale sui- vante: Carbone 0,008 % Silicium 0,4 % Soufre après un laminage à chaud des brames au train à bande. Selon l'invention la bande d'acier laminée à chaud est soumise à un traitement thermique préalable au laminage à froid, consistant, dans un essai donnant de bonnes caractéristiques, à: une mise à température de 800 a C pendant 2 minutes sous atmosphère d'azote; un laminage à froid en une ou plusieurs étapes pour la mise à épaisseur de la tôle, la tôle ainsi laminée étant soumise à un recuit final en continu à 880 'C sous atmosphère décarburante telle que NH 3 craqué. Le tableau I regroupe les valeurs des ca- ractéristiques magnétiques obtenues dans une série d'essais de variation des conditions du traitement thermique préalable au laminage à froid. Les essais ont été réalisés en faisant varier-la température du traitement de 700 C à 1100 l C, les temps de maintien en température étant variables de 1 à 5-minutes. Les autres paramètres utilisés dans le pro- cédé sont: une atmosphère d'azote lors du traitement thermique préalable; un laminage à froid pour l'obtention d'une épaisseur finale de la tôle d'environ 0,5 mm; un recuit final à 880 'C sous NH 3 craqué pendant 2 minutes avec un point de rosée à + 20 'C. Les caractéristiques magnétiques d'induction ont été mesurées sous trois champs magnétiques de 2500, 5000 et 10000 A/m, alors que les caractéris- tiques de pertes totales spécifiques sont données à 1 et 1,5 Tesla. TABLEAU I TRAITEMENT PREALABLE Temps de maintien (mni) EPAISSEUR APRES LAMINAGE A FROID 0,5 mm RECUIT FINAL 880 C 2 mn NH 3 craqué B (TESLA) Dour H (A/m) 2.500 1,626 1,631 1,638 5.000 1,715 1,718 1,717 10.000 1,835 1,838 1,837 W/kg ( 50 Hz) 1 T 1,5 T 2,36 5,26 800 1 880 C 1,696 1,787 1,903 2,15 4,59 800 2 0,5 mm 2 mn NH 3 1,699 1,788 1,904 2,12 4,57 800 5 craqué 1,708 1,793 1,909 2,11 4,54 1050 1 880 C 1,695 1,782 1,899 1050 2 0,5 mn 2 mn NH 3 1,697 1,781 1,897 1050 5 craqué 1,697 1,784 1,899 2,12 4,57 1100 1 880 C 1,700 1,787 1,898 1100 2 0,5 mn 2 mn NH 3 1,697 1,785 1,899 1100 5 craqué 1,698 1,786 1,899 2,31 4,96 880 C SANS TRAITEMENT 0,5 mm 2 mn NH 3 1,624 1,713 1,832 2,31 5, 21 craqué de PALIER ( C) Les résultats des essais montrent par comparaison avec les caractéristiques d'un échantillon n'ayant pas subi de traitement que le traitement préalable permet d'augmenter, d'une part les induc- tions d'environ 5 % et d'autre part de réduire les pertes d'environ 12 %. Ces essais mettent en évidence que les meil- leures caractéristiques magnétiques des tôles sont ob- tenues par un traitement préalable compris entre 800 et 1050 'C pour les tôles d'acier ayant la composition citée ci-dessus. Dans un deuxième exemple de réalisation, avec un acier ayant la composition suivante C 0,004 Si = 0,280 S 0,009 Al = 0,020 P 0,140 Mn = 0,300 N 2 = 0,007 02 = O '005 traité dans les mêmes conditions que l'acier de l'exemple 1 ci- dessus, il a été réalisé des essais mesurant des caractéristiques d'inductions sous trois champs magnétiques de 2500, 5000 et 10000 A/m et les pertes totales spécifiques. Le tableau II regroupe, pour deux épaisseurs de tôles magnétiques, les caractéristiques de pertes en W/Kg à 50 Hertz sous une induction de 1 et 1,5 Tesla, ainsi que l'induction obtenue sous les trois valeurs de champs magnétiques pris en référence. TABLEAU EPAISSEUR 0,50 mm EPAISSEUR 0,65 mm Référence Tôle magnétique Selon 1 'inventior Référence Tôle magnétique Selon l'invention PERTES. MAGNETIQUES 1 T 3,03 1,95 3,29 2,47MAGNETIQUES en W/Kg 50 Hz 1,5 T 6,43 4,14 7, 37 5,58 2 500 A/m 1,65 1,69 1,65 1,70 INDUCTION en DUTI 5 000 A/m 1,74 1,78 1,74 1,79 en T 000 A/m 1,86 1,90 1, 86 1,91 o (n F, II Le procédé selon l'invention permet, de ma- nière inattendue, d'obtenir d'une tôle magnétique d'une part de hautes caractéristiques magnétiques, et d'autre part des caractéristiques mécaniques compa- rables à celles obtenues par le procédé de l'art an- térieur. 1 1 REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de tôle d'acier magnétique à grains non orientés comportant successi- vement après élaboration sous vide d'un acier à faible teneur en silicium: un laminage à chaud; une opération de grenaillage et de déca- page acide; un laminage à froid comportant au moins une étape suivie d'un recuit, pour obtenir une tôle à l'épaisseur finale, le recuit final étant réalisé sous atmosphère contrôlée décarburante; caractérisé en ce qu'après le laminage à chaud et avant le laminage à froid, on soumet la tôle d'acier à au moins un traitement thermique préalable audit laminage à froid. 2 Procédé selon la revendication 1 carac- térisé en ce que le traitement thermique préalable audit laminage à froid est réalisé avant l'opération de grenaillage et décapage acide. 3 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le traitement thermique préalable audit laminage à froid est réalisé après l'opération de grenaillage et décapage acide. 4 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le traitement thermique préalable au laminage à froid comprend une mise sous atmosphère contrôlée; une élévation en température comprise dans l'intervalle 700-1100 'C; un maintien en température pendant un temps compris dans l'intervalle de 1 à 10 minutes. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 4, caractérisé en ce que la température du traitement thermique préalable au laminage à froid est comprise entre 800 et 1050 C. 6 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le temps de maintien en température du traitement thermique préalable est de 1 à 5 minutes. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'atmosphère contrôlée est constituée essentiellement d'azote. 8 Tôle magnétique à grains non orientés, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9 Tôle selon la revendication 8, caracté- risée en ce que pour une tôle ayant une épaisseur d'environ 0,5 mm, les pertes spécifiques à 1,5 Tesla et 50 Hertz sont inférieures à 6,3 W/Kg et l'aiman- tation est supérieure à 1,65; 1,74; 1,85 Tesla res- pectivement sous des champs magnétiques de 2500, 5000, 10000 A/m. Tôle selon la revendication 9, caracté- risée en ce que les pertes spécifiques à 1,5 Tesla et Hertz sont inférieures à 5,1 W/Kg et l'aimantation est supérieure à 1,68; 1,77; 1,89 Tesla, respective- ment sous des champs magnétiques de 2500, 5000, 10000 A/m. 11 Tôle selon la revendication 8, carac- térisée en ce que pour une tôle ayant une épaisseur d'environ 0,65 mm, les pertes spécifiques à 1,5 Tesla et 50 Hertz sont inférieures à 7,5 W/Kg et l'aimantation est supérieure à 1,66; 1,75; 1, 86 Tesla respectivement sous des champs de 2500, 5000, 10000 A/m. 12 Tôle selon la revendication 11, caract- risée en ce que les pertes spécifiques à 1,5 Tesla et Hertz sont inférieures à 7,1 W/Kg et l'aimantation est supérieure à 1,67; 1,76; 1,88 Tesla, respective- ment sous des champs magnétiques de 2500, 5000, 10000 A/m.