Brevet FR2683229A1 — publié le 19930507

i La présente invention concerne un procédé d'élaboration d'une bande d'acier magnétique à grains orientés ayant une épaisseur inférieure à 5 mm et conte- nant en composition pondérale plus de 2 % de silicium, moins de 0,1 % de carbone, des éléments inhibiteurs de recristallisation secondaire, le reste étant du fer, par coulée directe sur un cylindre ou entre deux cylindres pour l'obtention. Les tôles magnétiques à grains orientés sont utilisées pour la fabrication des circuits magnétiques, des transformateurs et des machines tournantes de grandes dimensions Dans le cas des applications du type trans- formateurs, pour obtenir un acier aux performances magnétiques optimales, la direction cristallographique qui est la direction de facile aimantation, doit être parallèle à la direction de laminage Dans le procédé classique de production de tôles à grains orientés, les brames coulées en continu sont laminées à chaud sur un train à bandes et des germes de GOSS d'orientation ( 110} selon la notation cristallogra- phique de MILLER sont générés pendant cette opération de laminage En ajoutant au métal liquide composé de fer, de silicium et de carbone, du manganèse, de l'aluminium, du bore, de l'antimoine, de l'étain, du soufre et/ou de l'azote, il se forme des inhibiteurs tels que Mns, Ai N, BN et/ou Sn et Sb qui sont partiellement précipités ou ségrégés dans la bande laminée à chaud ou précipitent lors des traitements thermiques ultérieurs (recuit de la bande laminée à chaud et/ou recuit intermédiaire entre deux laminages à froid) Si les cycles thermiques antérieurs sont adéquats, les dimensions d'une quantité suffisante de précipités sont inférieures à 100 nanomè- tres après décarburation Le recuit final statique en bobines permet la croissance sélective des germes de GOSS hérités du laminage à chaud grâce à l'inhibition, par les précipités, de la croissance normale des grains n'ayant pas l'orientation désirable C'est le phénomène dit de recristallisation secondaire, la recristallisa- tion primaire ayant lieu pendant l'opération de décarbu- ration. Un nouveau procédé d'obtention directe d'une bande mince d'épaisseur inférieure à 5 mm par coulée de métal liquide entre deux cylindres ou sur un cylindre, permet d'éliminer le laminage à chaud de sorte que les germes de GOSS ne peuvent plus être générés par laminage à chaud comme dans les procédés classiques Il est donc essentiel de déterminer de nouvelles conditions de coulée qui favorisent l'existence des germes de GOSS dans la bande mince à l'état brut de coulée. Ainsi, dans le brevet EP-A-0 390 160, il est préconisé un contrôle de la vitesse de refroidissement secondaire de la bande mince obtenue après solidification du métal liquide, cette vitesse devant être supérieure à 100 C/s entre 1300 et 9000 C pour éviter le grossisse- ment des précipités inhibiteurs qui supprimerait la recristallisation secondaire ultérieure et la formation de grains d'orientation { 110} Il est précisé que si la vitesse de refroidissement secondaire entre 1300 et 9000 C est trop élevée, la structure colonnaire de la bande à l'état brut de coulée possède la texture ( 110} avec un nombre de germes de GOSS proche de zéro, ce qui ne permet pas d'envisager l'obtention de l'épais- seur finale par une seule opération de laminage à froid avec un taux de réduction supérieur à 80 % En effet, dans ces conditions, la recristallisation secondaire n'a pas lieu Si la vitesse de refroidissement secondaire est appropriée, supérieure à 10 'C/s, la bande à l'état brut de coulée, qui a subi une recristallisation après solidification, est isotrope, c'est-à-dire de structure aléatoire, les grains ne présentant pas d'orientation préférentielle La croissance sélective des germes de GOSS présents est alors obtenue, après un taux de réduction à froid supérieur à 80 %, pendant un recuit de recristallisation secondaire. L'objectif de l'invention est de proposer un procédé permettant d'obtenir des germes de GOSS dans une bande mince sans qu'il soit nécessaire de prévoir un traitement thermique secondaire spécifique. La demanderesse a mis en évidence que le contrôle des conditions de solidification lors de la coulée, et non la vitesse de refroidissement secondaire entre 1300 et 900 QC, est un paramètre essentiel qui régit l'existence des germes de GOSS dans une bande mince obtenue par coulée directe de métal liquide entre deux cylindres ou sur un cylindre. L'invention a pour objet un procédé d'élabo- ration d'une bande d'acier magnétique d'épaisseur inférieure à 5 mm, contenant dans sa composition pondé- rale plus de 2 % de silicium, moins de 0,1 % de carbone, et des éléments inhibiteurs de recristallisation secon- daire en quantité convenable, le reste étant du fer, cette élaboration étant réalisée par coulée directe sur un cylindre ou entre deux cylindres, caractérisé en ce qu'on provoque la formation de grains orientés ( 110} en peau, à la surface d'au moins une zone de trempe, en soumettant l'acier à un refroidissement brutal par mise l'acier en contact avec le ou chaque cylindre, dont la température de surface est inférieure à 4000 C. Dans une forme de mise en oeuvre: on coule la bande entre deux cylindres refroidis à une température inférieure ou égale à 4000 C, on applique entre les cylindres une pression inférieure à 50 Kgf/mm de largeur de bande. Selon d'autres caractéristiques: la température de surface du ou de chaque cylindre est de préférence égale ou inférieure inférieure à 2500 C; le coefficient d'échange thermique à l'interface cylindre/peau solidifiée est supérieur à 0,10 cal/cm 2 s OC, la peau de la bande est une zone de trempe solidifiée selon un mode basaltique non colonnaire, la zone de trempe subit un réchauffement par le coeur de la bande. l'épaisseur de la couche de métal liquide au coeur de la bande en sortie de lingotière est infé- rieure à 10 % et de préférence inférieure à 4 % de l'épais- seur totale de la bande. L invention concerne également une tôle à grains orientés obtenue à partir d'une bande produite par le procédé et qui se caractérise en ce qu'elle comporte une structure colonnaire en zone de trempe et une structure de cristallisation de type GOSS en peau. Elle comporte en outre une zone centrale de structure équiaxe. La description qui suit et les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre l'invention Sur ces dessins: la Fig 1 représente la variation de la température de la surface de la bande en contact avec les cylindres et le cycle de température de la peau en sortie de lingotière. Les Fig 2 A et 2 B représentent en coupe deux structures de bande à la sortie de la lingotière, corres- pondant respectivement à une vitesse de cylindres permettant la coulée d'une bande comportant une zone centrale fondue en sortie de lingotière ( 2 A), et à une vitesse plus faible permettant la coulée d'une bande sans zone centrale liquide en sortie de lingotière ( 2 B). Selon le procédé de l'invention, le contrôle des conditions de solidification permet d'obtenir des germes de GOSS dans une bande mince obtenue par coulée directe dans le cas d'un refroidissement naturel, c'est- à-dire sans faire appel à un refroidissement secondaire spécifique mettant en jeu, par exemple, une pulvérisation d'eau Un éventuel refroidissement secondaire peut avoir lieu mais il n'a pas alors pour objectif de résoudre un problème métallurgique lié à la structure Il peut par exemple être imposé par des contraintes technologiques de bobinage ou par le souci d'éviter une oxydation superficielle, et être réalisé par exemple par balayage de gaz neutre. Selon l'invention, on crée les germes de GOSS dans la lingotière par contact du métal coulé avec les cylindres grâce à l'optimisation des conditions d'échange de chaleur entre le métal liquide et la surface des cylindres et l'on conserve ces germes, sous l'entr'axe, et en sortie de lingotière, sans l'aide d'un système spécifique de refroidissement secondaire, par le contrôle d'un paramètre propre du procédé de coulée en continu, par exemple la vitesse de coulée Dans les exemples décrits ci-après pour illustrer l'invention, les dispositifs de coulée entre deux cylindres ne sont pas équipés de systèmes de refroidissement annexes, le refroidissement de la bande solidifiée ayant lieu à l'air ambiant. La Fig 1 représente la température de la surface de la bande en contact avec le cylindre lors du passage du métal entre les deux cylindres de la lingo- tière en coulée continue et le cycle de refroidissement de la peau de la bande en sortie de la lingotière. Les cylindres refroidis par circulation d'eau et dont la température de surface est maintenue infé- rieure à 4000 C solidifient la bande en surface pour former une zone de trempe dont la peau subit une varia- tion brutale de température matérialisée par le gradient de température de la zone I Lors de la sortie de la bande de la lingotière, le coeur ayant une température plus élevée que celle de la zone de trempe élève la température de ladite peau (zone II) Dans la zone III, la peau est soumise à un refroidissement naturel à l'air ambiant La courbe Cl correspond à une vitesse de coulée Vl et la courbe C 2 à une vitesse de coulée V 2 > Vl. Les Fig 2 A et 2 B sont deux schémas représen- tant deux structures de bande à la sortie des cylindres 5 et 6, comportant respectivement d'une part une zone centrale 7 liquide entre deux zones de trempe 8 et 9 ( 2 A) et d'autre part deux zones de trempe 8 et 9 juxtaposées, la zone centrale 7 étant solidifiée à la sortie de la lingotière ( 2 B). L'observation de la microstructure de la bande Fe-Si à l'état brut de coulée entre deux cylindres a été réalisée sur des échantillons de façon à mettre en évidence des germes de GOSS Les échantillons polis ont été soumis à une première attaque à l'acide nitrique dilué pour révéler les joints de grains, puis à une seconde attaque à l'aide d'un réactif contenant de l'acide fluorhydrique et de l'eau oxygénée. Les figures de corrosion ainsi obtenues ont été utilisées pour la détermination des orientations cristallines des grains et le repérage des grains de GOSS Il est constaté que les germes de GOSS sont situés en extrême peau, à la surface de la zone de trempe en contact avec la surface du cylindre Il s'agit de la partie solidifiée selon un mode basaltique non colonnai- re Pour avoir des grains de GOSS à la température ambiante dans les produits bruts de coulée, il faut générer leur croissance lors du premier contact avec la surface du cylindre et les conserver en évitant le grossissement des grains colonnaires adjacents et en favorisant la croissance des grains de peau avant que la bande perde le contact avec les cylindres en sortie de lingotière. Comme représenté sur les Fig 2 A et 2 B, au contact des cylindres refroidis, le métal en surface de bande subit un refroidissement rapide et en sortie de lingotière la peau est soumise à un réchauffement par le coeur contenant le cas échéant plus ou moins d'acier liquide. Les paramètres agisssant sur la température minimale T min atteinte par la peau dans la lingo- tière sont: la température de surface du cylindre maintenue inférieure à 4000 C grâce au pouvoir de refroidissement des circuits d'eau, à la conductibi- lité thermique du matériau constituant la surface du cylindre, aux caractéristiques géométriques de la surface du cylindre comme par exemple sa rugosité, son diamètre, etc l'évolution de la résistance thermique à l'interface surface du cylindre/peau en cours de solidi- fication Pour créer des germes de GOSS à la surface de la zone de trempe et les conserver avant de quitter le contact avec la surface du cylindre, il faut selon l'invention: que la température de surface du cylindre soit inférieure à 400 'C, que le coefficient d'échange thermique à l'interface soit supérieur à 0,10 cal/cm 2 s OC tout au long de l'arc de contact 10. En dessous du plan P contenant les axes des cylindres (ou plan de l'entraxe), dès que la bande a quitté le contact avec les cylindres, l'extraction de chaleur n'est plus aussi intense et la progression du front de solidification selon un mode basaltique colon- naire cesse Si la bande est constituée de deux zones de trempe et d'une zone centrale pâteuse contenant du liquide et des germes de grains équiaxes (Fig 2 A), le refroidissement de la zone centrale à travers les zones solidifiées requiert l'évacuation de la chaleur latente de la partie liquide ainsi que des calories du solide. Comme les peaux ne sont plus refroidies que par rayonne- ment, il s'ensuit un réchauffement de la surface C'est au cours de cette étape que les grains de peau, et notamment les germes de GOSS, peuvent disparaître Au cours du réchauffement, le temps passé dans le domaine de température o la mobilité des joints de grains est effective est le paramètre important La liste des facteurs agissant sur la température de réchauffement ainsi que le temps passé dans le domaine o la mobilité des joints de grains, phénomène thermiquement activé, est effective, est: la proportion de zone centrale, à structure équiaxe, après solidification du liquide, rapportée à l'épaisseur totale de la bande; la température initiale de peau, déterminée par les différents paramètres de l'installation. Les observations ont montré que le nombre de grains de GOSS par unité de longueur de peau décroît quand la proportion de zone centrale augmente (tableau I ci-dessous) Les structures de solidification ont été mises en évidence par attaque électrolytique dans une solution aqueuse contenant 10 % de péroxodisulfate d'ammonium (NH 4)25208 qui fait apparaître les axes princi- paux des dendrites. Tableau I: Nombre de grains de GOSS par cm de peau en fonction du pourcentage de zone centrale. Température maximale de surface 2500 C 2400 C du ou de chaque cylindre Pression des cylindres 10 7,5 (kgf/mm largeur de bande) Vitesse de coulée (m/min) 70 85 Epaisseur de la bande (mm) 1,6 1,8 Longueur de peau observée dans 750 850 le sens de la coulée (mm) Nombre de grains de GOSS par cm 1,8 0,6 de peau Pourcentage de grains de GOSS 2,8 1,5 en surface Pourcentage de zone centrale (%) O 4 épaisseur de la zone centrale/ épaisseur de la bande x 100 L'originalité de la présente invention réside dans la mise en évidence de la création des germes de GOSS dans la lingotière, pendant le premier contact du liquide avec la surface du cylindre. La limitation en proportion de la zone centrale susceptible de réchauffer les peaux est un moyen de conserver ces germes D'après le tableau 1, le nombre de grains de GOSS par cm de peau est beaucoup plus élevé quand le pourcentage de zone centrale est nul (Fig 2 B). Il devient très-nettement plus faible quand le pourcen- tage de zone centrale est égal à 4 et négligeable quand le pourcentage de zone centrale est supérieur à 10 Le pourcentage de zone centrale doit donc demeurer de préférence égal ou inférieur à 4, d'autant plus que la présence d'une zone centrale se traduit par une diminu- tion de la taille moyenne des grains de GOSS qui sont en phase de disparition. La relation qui lie l'augmentation du nombre de germes de GOSS à l'absence de zone centrale a été confirmée par un essai sur un autre dispositif par un essai de coulée directe de bande mince entre deux cylindres, d'un alliage Fe-Si de composition suivante (% massique) C Si S P Mn Cu Al N total I 0,049 3,09 0,021 0,006 0,047 0,120 0,003 0,0055 La bande d'épaisseur 4,5 mm possède un nombre de grains de GOSS par cm de peau égal à 4 et est caracté- risée par le fait que la zone centrale est quasiment inexistante, c'està-dire inférieure à 1 % Le nombre élevé de grains de GOSS par cm de peau en l'absence de zone centrale est obtenu par un temps de contact élevé proportionnel à la dimension des cylindres, qui exercent une pression de 12 kgf/mm de largeur de bande, le point le plus chaud de l'arc de contact étant évalué à 3250 C et la vitesse de coulée étant de 50 m/min. Par ailleurs la quantité et la taille des sulfures mixtes de manganèse et de cuivre résultant du refroidissement de la bande à l'air calme ambiant, sont compatibles avec l'existence d'un pouvoir inhibiteur satisfaisant De nombreux précipités, identifiés par microscopie électronique en transmission ont une forme sphérique d'environ 10 nm de diamètre Il est par ailleurs bien connu que le pouvoir inhibiteur peut être renforcé par addition d'inhibiteurs, à la magnésie qui il est utilisée comme séparateur de recuit pour éviter le collage des spires de la bobine pendant le recuit de recristallisation secondaire. La présente invention est applicable aux procédés de coulée directe de bandes minces entre deux cylindres et sur un cylindre en vue de l'obtention de tôles à grains orientés de perméabilité classique ou à haute perméabilité Elle est applicable quel que soit le mode d'inhibition (sulfures, séléniures, nitrures, éléments ségrégés) de la croissance normale des grains de recristallisation primaire favorisant la croissance sélective des grains de GOSS et quel que soit le traite- ment aval de la bande obtenue par coulée directe de métal liquide sur un cylindre ou entre deux cylindres Ce traitement aval peut comporter un seul laminage à froid avec un taux de réduction élevé (supérieur à 80 %) pour obtenir une tôle de haute performance ou consister en un traitement classique à deux ou plusieurs laminages à froid avec recuit (s) intermédiaires (s). La bande à l'état brut de coulée peut subir un recuit avant laminage à froid, notamment en vue d'optimiser la taille des inhibiteurs Le laminage à froid est suivi d'un traitement en ligne, de recristalli- sation primaire et de décarburation Enfin le recuit final des bobines, après enduction par un lait de magnésie pour éviter le collage des spires, dans un four statique favorise le phénomène de recristallisation secondaire qui conduit à la formation sélective des grains d'orientation ( 110} Les conditions d'obten- tion de la bande entre deux cylindres peuvent être adaptées dans le cas de la coulée sur un cylindre ou par alimentation latérale d'un cylindre par le métal liquide. Les grains d'orientation { 110} sont obtenus dans les mêmes conditions, la pression appliquée par millimè- tre de largeur de bande étant nulle Les grains de GOSS ne sont alors présents que sur la face de la bande en contact avec le cylindre. Le tableau II ci-dessous donne un exemple du nombre de grains de GOSS par cm de peau sur la face unique de contact avec le cylindre. Tableau II: Température de surface du cylindre ( O C) 280 Vitesse de coulée (m/mm) 30 Nombre de grains de GOSS par cm de peau 4,2 * de grains de GOSS en surface 5,8 Epaisseur de la bande (mm) 1,38 Pourcentage de zone centrale O REVENDICATIONS 1 Procédé d'élaboration d'une bande d'acier magnétique d'épaisseur inférieure à 5 mm, contenant en composition pondérale plus de 2 % de silicium, moins de 0,1 % de carbone, des éléments inhibiteurs de recristalli- sation secondaire en quantité convenable, le reste étant du fer, cette élaboration étant réalisée par coulée directe sur un cylindre ou entre deux cylindres, caracté- risé en ce qu'on provoque la formation une cristallisa- tion de grains orientés { 1101 en peau, à la surface d'au moins une zone de trempe, en soumettant l'acier à un refroidissement brutal par mise en contact avec le ou chaque cylindre, dont la température de surface est maintenue inférieure à 400 'C. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on coule la bande entre deux cylindres refroidis à une température inférieure à 4000 C, et l'on applique entre les cylindres une pression inférieure à Kgf/mm de largeur de bande. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tempéra- ture de surface du ou de chaque cylindre est inférieure à 2500 C. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le coeffi- cient d'échange thermique à l'interface cylindre/peau solidifiée est supérieur à 0,10 cal/cm 2 s O C. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la peau de la bande, surface de la zone de trempe, est solidifiée selon un mode basaltique non colonnaire. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de métal liquide au coeur de la bande en sortie de lingotière est inférieure à 10 % de l'épaisseur totale de la bande. 7 Procédé selon la revendication 6, caracté- risé en ce que l'épaisseur de la couche de métal liquide au coeur de la bande en sortie de lingotière est infé- rieure à 4 % de l'épaisseur totale de la bande. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la bande subit en outre au moins un laminage à froid, un traite- ment thermique de décarburation et de recristallisation primaire et un recuit final de recristallisation secon- daire. 9 Procédé selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la bande est soumise à un recuit après le ou chaque laminage à froid. 10 Tôle à grains orientés ( 1101 selon les revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure colonnaire en coeur et une structure de cristallisation de type GOSS en peau. 11 Tôle selon la revendication 10, caracté- risée en ce qu'elle comporte en outre une zone centrale de structure équiaxe.