Brevet FR2686905A1 — publié le 19930806

La présente invention concerne les cylindres de travail bimétalliques ou composites destinés à équiper notamment les cages dégrossisseuses et les cages finis- seuses d'un train de laminoir pour bandes à chaud. Les modes d'usure des cylindres de travail à chaud sont multiples et dépendent essentiellement de la température du produit laminé et donc de la position du cylindre dans le train. Le mécanisme d'incrustation bien connu (banding) qui a pour origine le bris et le déchaussement des carbures à la surface de travail des cylindres, se produit sur les dernières cages dégrossisseuses et sur les premières cages finisseuses. Le frottement et le glissement entre le métal de la bande et le cylindre, qui est variable en fonction de l'emplacement le long de l'arc de contact et en fonction des conditions de laminage (pression, températu- re), peut conduire à un cisaillement plastique superfi- ciel qui, en présence d'une couche d'oxyde insuffisante et/ou insuffisamment tenace, se caractérise par un régime de travail en grippage continu. Les manifestations négatives de ce régime de grippage continu sont la formation à la surface du cylindre d'un relief en forme de chevrons (appelé "fluage" par certains spécialistes) qui n'est autre qu'une forme limite de l'écoulement de l'oxyde et, au- delà, l'apparition d'un phénomène d'usure adhésive catastrophique: le collage. L'un et l'autre, au même titre que le banding, sont dommageables pour le rendement du cylindre exprimé en tonnes par mm usé et se traduisent pour le produit laminé par des rebuts ou des déclassements. Le brevet français N O 79 27 952 décrit déjà des solutions intéressantes qui se sont traduites par un développement industriel important sur de nombreux laminoirs à chaud, en améliorant considérablement la résistance au bris des carbures de la surface de travail et à la fatigue thermique, en ajustant la morphologie et la quantité des carbures M 7 C 3 par un choix judicieux de la teneur en carbone et en chrome. Cependant le carbure M 7 C 3 construit sur l'élément chrome donne une matrice riche en chrome qui, en l'absence d'autre élément compensateur, conduit à une faible cinétique d' oxydation, notamment quand la tempéra- ture de bande diminue, ce qui est le cas dans les cages finisseuses. Or, notamment lorsque la température diminue, la calamine du matériau laminé a une capacité de déforma- tion plastique souvent insuffisante pour assurer une couverture unie de la tôle dans l'emprise (intervalle entre les cylindres), et des contacts métal-cylindre peuvent se produire là o le métal est à nu, si le cylindre n'est pas lui-même recouvert d'une couche d'oxyde Le collage ou tout au moins un micro-collage devient alors inévitable. Le brevet français 87 18 073 propose d'amé- liorer la cinétique d'oxydation en utilisant une teneur élevée en élément vanadium, pour permettre la formation de carbures VC ayant une excellente morphologie Les cylindres réalisés suivant ce concept ont une résistance à l'usure extraordinaire dans les toutes dernières cages finisseuses Ce même concept utilisé dans les premières cages finisseuses apparaît en revanche tout-à-fait insuffisant et les couches d'oxydes formées à la surface de ces cylindres, même dans des conditions thermiques favorables, sont trois à quatre fois plus minces que celles obtenues avec des cylindres en fonte à haute teneur en chrome. De telles couches d'oxydes sont trop fragiles et s'écaillent facilement ce qui entraîne, comme précé- demment, des risques de collage ou de micro-collage. En présence d'un tel état de la technique, l'objectif que se fixe l'invention est de fournir un cylindre de travail composite pour cage dégrossisseuse ou cage finisseuse d'un train à bandes à chaud, qui présente des caractéristiques et des performances améliorées dans les utilisations particulières envisa- gées, par une amélioration simultanée de la cinétique d'oxydation et de l'adhérence du film d'oxyde. De plus, un cylindre selon l'invention devra pouvoir être réalisé en utilisant la technique de la coulée centrifuge. A cet effet, l'invention a pour objet un cylindre de travail composite, notamment pour cage dégrossisseuse ou finisseuse d'un laminoir à bandes à chaud, ce cylindre comprenant un coeur en fonte ou en acier, et une zone externe en acier au chrome-vanadium, caractérisé en ce que l'acier de la zone externe contient 1,3 à 2,2 % en poids de carbone, 8 à 16 % en poids de chrome et 4 à 7 % en poids de vanadium, le reste étant constitué par du fer et d'autres éléments habituellement présents. Suivant d'autres caractéristiques: les teneurs en chrome et en vanadium sont de préférence comprises entre 9 et 14 % et entre 5 et 6,5 %, respectivement; l'acier de la zone externe de travail contient en outre 3 à 5 % de cobalt; le coeur du cylindre est en fonte nodu- laire; le coeur du cylindre est en acier contenant 0,3 à 0,5 % en poids de carbone. L' invention a également pour objet un procédé de laminage à chaud de bandes métalliques et notamment de bandes d'acier dans un train de laminoir à bandes à chaud comportant plusieurs cages dont une au moins comprend au moins un cylindre de travail selon l'inven- tion, caractérisé en ce que, O (en 'C) étant la tempéra- ture de laminage au niveau d ' une cage déterminée du train, on utilise dans cette cage au moins un cylindre dont la teneur en chrome de la matrice Cr, de la zone externe vérifie sensiblement la relation: Crm= 610 De plus, la teneur en chrome Crm de la matrice vérifie sensiblement la relation suivante: Cr = 1,631 Cr 0,83 C L'invention a également pour objet l'utili- sation dans une cage dégrossisseuse ou une cage finis- seuse d'un train à bandes à chaud, d'un cylindre tel que défini précédemment. L'invention va être décrite plus en détail ci-dessous en se référant au dessin annexé, donné uni- quement à titre d'exemple et sur lequel: La Fig 1 représente schématiquement une coupe micrographique illustrant la structure de la zone externe de travail d'un cylindre suivant l'invention; et La Fig 2 est un schéma illustrant un traitement thermique pouvant être appliqué à un tel cylindre. En présence de l'état antérieur de la technique analysé précédemment, il apparaît que la couche d'oxyde formée par le matériau du cylindre en présence de vapeur d'eau et dans des conditions données de température est déterminante à l'égard du phénomène de collage. Cette couche d'oxyde doit se former vite de façon à se renouveler au fur et à mesure de son usure due au frottement- glissement avec la calamine du produit laminé, mais elle doit aussi être très adhérente au support de façon à conserver malgré des conditions de laminage variables au cours d'un même montage une épaisseur toujours suffisante et éviter ainsi les chevrons de la couche limite. A cet égard il est apparu au cours d'essais en laboratoire sur une machine de frottement à chaud que le meilleur coefficient de frottement, présentant de plus la meilleure stabilité, est obtenu avec des spinelles de chrome Ce coefficient de frottement est d'ailleurs d'autant plus élevé que la quantité d'oxyde formé est importante et que la spinelle (Cr, Fe Y), 04 contient plus de chrome. Ceci est tout-à-fait en corrélation avec l'observation faite en pratique de la meilleure tenue au patinage des cylindres réalisés selon le brevet français n O 79 27 952 par rapport à ceux de la technique anté- rieure (cylindres forgés en acier adamite). Toutes ces expériences ont conduit, selon l'invention, à combiner les éléments chrome et vanadium en optimisant l'un et l'autre des éléments pour améliorer simultanément la cinétique d'oxydation grâce à l'élément vanadium et l'adhérence du film d'oxyde grâce à l'élément chrome. De façon à conserver la morphologie des carbures de chrome déjà obtenue par le brevet FR 79 27 952, la teneur en carbures M 7 C 3 doit être comprise entre 3 et 15 %, ce qui conduit à une teneur en carbone comprise entre 1,3 et 2,2 % et une teneur en chrome com- prise entre 8 et 16 %. Par ailleurs le brevet FR 87 18 073 met en évidence une limite technologique de l'utilisation de l'élément d'alliage vanadium, lors de l'utilisation de la coulée centrifuge qui reste la mieux adaptée et la plus économique pour la fabrication de cylindres bimé- talliques. Cette ligne dite ligne de "vanadium critique" définit, pour une teneur en carbone donnée une teneur en vanadium à ne pas dépasser sous peine de provoquer immédiatement une zone de décantation du carbure VC conduisant automatiquement à une zone de liaison tout à la fois poreuse et fragile entre le coeur du cylindre et son enveloppe. D'un autre côté le carbure VC de l'eutectique VC qui se forme bien avant l'eutectique M 7 C 3 se retrouve en final sous la forme d'éléments allongés ou "d'aiguilles" disposés en position intragranulaire par rapport à l'eutectique M 7 C 3, procurant ainsi entre les carbures M 7 C 3 une structure en forme "d'oursin" Cette disposition est illustrée schématiquement sur la Fig 1. Sur cette figure on a représenté, noyés dans la matrice M de l'acier constituant la zone externe du cylindre, des carbures C 1 de type M 7 C 3 et des carbures C 2 de type VC La variation de forme des carbures VC telle qu'elle apparaît sur ce schéma correspond à la structure en "oursin" mentionnée précédemment. La teneur en vanadium du cylindre de l'in- vention est ainsi comprise entre 5 et 7 % et variable suivant la teneur en carbone, cette teneur en vanadium étant d'autant plus faible que la teneur en carbone est plus élevée Une telle teneur en vanadium permet l'utili- sation d'un procédé de fabrication par coulée centrifuge. Dans ces conditions les teneurs en carbure VC, mesurées au microscope électronique à balayage sont comprises entre 4 et 5 % en volume. Cet eutectique Y VC S 'est révélé en service d'une résistance à l'usure extrême sans doute tout à la fois en raison de la dureté du carbure VC ( 3 000 HV) et de ses propriétés tribologiques se manifestant par la formation instantanée d'oxyde de vanadium. Par ailleurs, le chrome de la matrice, capable de générer la spinelle de chrome recherchée, a une teneur qui varie entre 6 et 13 % environ, et lors de la cristallisation il se forme exclusivement deux eutectiques, celui du chrome et celui du vanadium, mais aucun carbure M 3 C que 1 'on cherche de toute façon à éviter. Dans certains cas et notamment pour le laminage de l'acier inoxydable o l'on exige une très grande adhérence du film d'oxyde, celui-ci peut encore être amélioré en utilisant l'élément cobalt jusqu'à la teneur de 5 %. L'utilisation des autres éléments habituels tels que W, Nb, Ti, Zr, B, Mo en quantités variables est possible mais ne change pas fondamentalement les proprié- tés tribologiques recherchées et obtenues par l'inven- tion En tout état de cause la teneur globale en ces divers éléments d'alliage ne doit pas dépasser 10 %. Dans le cadre de l'invention, il est égale- ment possible de choisir de façon optimale la composition du métal d'enveloppe d'un cylindre de travail, en fonction de la position de ce cylindre dans le laminoir et en fonction de la température de laminage au niveau de la cage à laquelle appartient ce cylindre On utilise un acier à teneur en carbone plus faible pour des cages dégrossisseuses, et un acier à teneur en carbone plus élevée pour les cages finisseuses A titre indicatif, on choisira de préférence C = 1,3 à 1,5 pour les cages dégrossisseuses, C = 1,6 à 1,9 pour les premières cages finisseuses F 1-F 4 et C = 1,9 à 2,2 pour les dernières cages finisseuses F -F 7. Le choix de la teneur en chrome permet une adaptation relativement précise en fonction de la position de la cage et des conditions de laminage qui y prévalent En effet, lorsque la teneur en chrome dans la matrice varie entre 6 et 13 %, la cinétique d'oxydation varie dans un rapport de 3 à 1. Etant donné que la température de laminage peut être de l'ordre de 1 050 à 1 1500 au niveau des cages dégrossisseuses, et que cette température est comprise entre environ 880 et environ 1 0200 pour les premières cages finisseuses, pour atteindre environ 8500 pour les dernières cages finisseuses, on déterminera la teneur en chrome de la zone externe du cylindre en fonc- tion de la température de laminage O exprimée en OC, en utilisant les formules suivantes Cr = 610 40 et Cr, = 1,631 Cr 0,83 C o Crm est la teneur en chrome de la matrice, exprimée en pourcentage en poids, de l'acier constituant la zone externe du cylindre. La seconde formule est connue pour les alliages à haut chrome et a été vérifiée expérimentale- ment pour les alliages Chrome-Vanadium visés dans ce brevet. Les teneurs en carbone et en chrome ayant ainsi été fixées, on détermine la teneur en vanadium de façon à se trouver au voisinage de la ligne définie précédemment, dite de "vanadium critique" qui est sensiblement une droite et s'étend, dans un diagramme vanadium/carbone, entre les points C = 1,3, V = 7 et C = 2,2, V = 5. Grâce aux indications qui précèdent, on voit donc que l'on peut réaliser des cylindres de laminoir qui conviennent pour une utilisation dans chacune des cages d'un train à bandes à chaud, moyennant une adaptation convenable des teneurs en éléments C, Cr et V. A titre d'exemple, des cylindres de ce type ayant la composition moyenne suivante ont été essayés avec succès dans les premières cages finisseuses d'un train à bandes à chaud: C: 1,72 Si:0,85 Mn: 0,78 P:0,030 S:0,014 Ni:0,79 Cr: 9,25 Mo: 1,82 V: 6,3 W:0,62 Ces cylindres comportaient un coeur réalisé soit en fonte nodulaire, soit en un acier contenant de 0,3 à 0,5 % en poids de carbone. Des cylindres selon 1 ' invention utilisés dans des installations de laminage à chaud ont une dureté qui dépassent 80 SHC Ces cylindres sont de préférence obtenus par centrifugation et subissent un traitement thermique qui est dans l'ensemble classique et qui comprend les opérations suivantes: tout d'abord un traitement d'austénitisa- tion à une température comprise entre 950 et 1 050 C pendant une durée de l'ordre de 24 heures, cette tempéra- ture et cette durée dépendant du diamètre du cylindre; cette austénitisation est suivie d'un re- froidissement à l'air soufflé pendant une durée de 3 heu- res environ pour atteindre une température de l'ordre de 450 OC; puis le cylindre est maintenu à une température constante de l'ordre de 5100 C environ, pendant une durée comprise entre 6 et 24 heures, suivant la dimension du cylindre; on effectue ensuite un refroidissement dans le four, jusqu'à la température ambiante. Selon la teneur en austénite résiduelle, le cylindre subit ensuite de façon connue, deux ou trois revenus à une température comprise entre 450 et 5000 C. il REVENDICATIONS 1 Cylindre de travail composite, notamment pour cage dégrossisseuse ou finisseuse d'un laminoir à bandes à chaud, comprenant un coeur en fonte ou en acier et une zone externe en acier au chrome-vanadium, caracté- risé en ce que l'acier de la zone externe contient 1,3 à 2,2 % en poids de carbone, 8 à 16 % en poids de chrome et 4 à 7 % en poids de vanadium, le reste étant constitué par du fer et d'autres éléments habituellement présents. 2 Cylindre suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'acier de la zone externe contient 9 à 14 % de chrome et 5 à 6,5 % de vanadium. 3 Cylindre suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'acier de la zone externe contient 3 à 5 % en poids de cobalt. 4 Cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'acier de la zone externe contient des éléments d'alliages choisis dans le groupe comprenant W, Nb, Ti, Zr, B, Mo, la teneur globale en ces éléments d'alliage étant inférieure à 10 % en poids. Cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en vanadium est d'autant plus faible que la teneur en carbone est élevée. 6 Cylindre suivant la revendication 5, caractérisé en ce que dans un diagramme C,V les points représentatifs de la teneur en ces deux éléments se situent sur ou au voisinage d'un segment de droite déterminé par les points C = 1,3, V = 7 et C = 2,2, V = 5. 7 Cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le coeur du cylindre est en fonte nodulaire. 8 Cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le coeur du cylindre est en acier contenant 0,3 à 0,5 % en poids de carbone. 9 Utilisation d'un cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans une cage dégrossisseuse ou finisseuse d'un train à bandes à chaud. Procédé de laminage à chaud de bandes métalliques, dans un train de laminoir comprenant plusieurs cages dont au moins une comporte au moins un cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé de plus en ce que O (en O C) étant la température de laminage au niveau d' une cage déterminée, on utilise dans cette cage au moins un cylindre de travail dont la teneur en chrome Crm de la matrice (en pourcentage en poids) dans la zone externe vérifie sensiblement la relation Crm = 610 11 Procédé suivant la revendication 10, caractérisée en ce que ladite teneur en chrome de la matrice vérifie sensiblement la relation: Cr, = 1,631 Cr 0,83 c 12 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'on choisit la teneur en carbone de la zone externe du cylindre de telle façon que cette teneur soit minimale dans une cage dégrossisseuse et augmente à partir des premières cages finisseuses, pour être maximale dans les dernières cages finisseuses. 13 Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la teneur en carbone de la zone externe du cylindre est comprise entre 1,3 et 1,5 pour une cage dégrossisseuse, entre 1,6 et 1,9 pour les premières cages finisseuses et entre 1,9 et 2,2 pour les dernières cages finisseuses.