Brevet FR2694574A1 — publié le 19940211

La présente invention a pour objet un acier pour mandrins de laminoirs à tubes, présentant une résistance améliorée à la fatigue et aux chocs thermiques ainsi qu'aux différentes contraintes mécaniques apparaissant lors de l'utilisation desdits mandrins, notamment pour des laminoirs à tubes du type MPM "Mandrel Piercing Mill". La présente invention a également pour objet un mandrin de laminoirs à tubes réalisé à partir de cet acier. Dans le domaine de la fabrication des tubes utilisés par exemple pour la construction des gazoducs, on emploie une technique connue d'étirage sur mandrin. Selon cette technique, un mandrin, assujetti par une de ses extrémités à un vérin, par exemple de type hydraulique, est enfilé par l'autre extrémité sur un lopin totalement ou partiellement percé. Sous l'action des contraintes de laminage lors du passage du lopin dans plusieurs cages d'un laminoir, le métal dudit lopin qui est porté à haute température est progressivement étiré sur le mandrin afin d'obtenir l'épaisseur désirée. A la fin du laminage, le vérin ramène en arrière le mandrin pour le retirer du tube ainsi formé, le mandrin étant ensuite refroidi par aspersion d'eau. Ainsi, une telle opération peut par exemple durer de 8 à 10 secondes et se répéter toutes les 45 secondes pour un même mandrin. Au cours de cette opération, les mandrins sont donc soumis à des contraintes d'origine thermique, à des contraintes mécaniques et à de sévères conditions de frottement malgré une lubrification prélable. Les sollicitations thermiques font notamment apparaître au cours des différentes phases de laminage, lors d'un chauffage ou d'un refroidissement, des contraintes alternées de compression et de traction qui peuvent dépasser la limite d'élasticité du matériau constituant les mandrins à la température de service. Ainsi, la fatigue thermique à laquelle sont soumis les mandrins s'apparente à une fatigue de type oligocyclique. Etant donné que la durée de vie des mandrins dépend des conditions de laminage et des réductions d'épaisseur effectuées, on comprend aisément que de fortes réductions contribuent de manière importante à l'usure des mandrins et à la réduction de leur durée de vie. En l'occurrence, cette durée de vie est estimée en moyenne, pour des laminoirs à tubes du type MPM de la génération actuelle, entre 3000 et 5000 tubes. De telles conditions d'exploitation des mandrins ont donc conduit les fabricants à utiliser des nuances d'acier particulièrement adaptées à supporter une déformation plastique cyclique à haute température. On utilise ainsi une nuance d'acier faisant l'objet d'une norme américaine, AISI H13, et dont la composition pondérale est la suivante - de 4,5 à 5,5% de chrome, - de 1 à 1,5% de molybdène, - de 0 à 0,6% de manganèse, - de 0,7 à 1,2% de silicium, - de 0,8 à 1,2% de vanadium, - de 0,3 à 0,38% de carbone, - de O à 0,015% de phosphore, - de 0 à 0,008% de soufre, les teneurs en phosphore et en soufre satisfaisant à la relation P+S Bien que cette nuance ait été optimisée en ce qui concerne sa transformation à chaud et son traitement thermique, on observe néanmoins des défauts sur les mandrins, de type écaillages, rayures, criques superficielles en réseau. Ces écaillages et criques prennent naissance au cours du temps à la suite de phénomènes de fatigue oligocyclique précités. Ces défaillances conduisent à une dégradation de la qualité des tubes formés ainsi qu'à une détérioration des mandrins. Malgré les réparations, notamment par soudure, apportées aux mandrins lorsque des défaillances sont constatées, la nuance H13 optimisée ne permet cependant pas d'envisager des améliorations notables de la durée de vie des mandrins. Compte tenu des limitations technologiques de la technique antérieure et des inconvénients présentés, la présente invention propose un acier permettant d'augmenter la durée de vie des mandrins de laminoirs à tubes. La présente invention a ainsi pour objet un acier pour mandrins de laminoirs à tubes, notamment pour des mandrins de laminoirs à tube du type MPM, caractérisé en ce que sa composition pondérale est la suivante - de 2,5 à 4,5* de chrome - de 0,5 à 1,5% de molybdène - de O à 1% de manganèse - de 0 à 0,7% de silicium - de 0,25 à 0,8% de vanadium - de 0,2 à 0,4% de carbone - de 0 à 0,012% de phosphore - de 0 à 0,005% de soufre - de 0 à 0,2% de cuivre - de 0 à 0,5% de nickel - de 0 à 0,015% d'aluminium, le reste étant constitué par du fer et quelques éléments résiduels constitués notamment par de l'antimoine, de l'étain et de l'arsenic, et les teneurs en phosphore, antimoine, étain et arsenic exprimées en pourcentage satisfaisant à la relation: (10P + 5Sb + 4Sn + As)102 Avantageusement, la composition pondérale de la nuance d'acier selon l'invention est la suivante - de 2,8 à 3,8% de chrome - de 0,7 à 1,3% de molybdène - de 0 à 1% de manganèse - de 0,2 à 0,6% de silicium - de 0,4 à 0,8% de vanadium - de 0,25 à 0,4% de carbone - de 0 à 0,012% de phosphore - de 0 à 0,005% de soufre - de 0 à 0,15% de cuivre - de 0 à 0,5 de nickel - de O à 0,015% d'aluminium, le reste étant constitué par du fer et quelques éléments résiduels constitués notamment par de l'antimoine, de l'étain et de l'arsenic, et les teneurs en phosphore, antimoine, étain et arsenic exprimées en pourcentage satisfaisant à la relation (10 P + 5Sb + 4 Sn + As)102 La présente invention a également pour objet un mandrin de laminoirs à tubes, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'un acier tel que mentionné cidessus. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé, et sur lequel la figure unique est une courbe traduisant l'énergie de résilience de l'acier H13 selon l'état de la technique et de l'acier selon l'invention en fonction de la résistance à la traction. Les études menées avec succès par la Demanderesse ont révélé que les résistances mécaniques relativement élevées des aciers sont favorables à la tenue à la fatigue oligocyclique desdits aciers, mais sont néfastes à leur tenue aux chocs thermiques et mécaniques, suite à une baisse très sensible de l'énergie de rupture. Ainsi, selon l'invention, pour augmenter la durée de vie des mandrins de laminoirs à tube du tube MPM, on utilise un acier dont la composition pondérale préférentielle est la suivante - 3,3% de chrome - 1% de molybdène - 0,6% de manganèse - 0,5% de silicium - 0,5% de vanadium - 0,32% de carbone - 0,008% de phosphore - 0,002% de soufre - 0,05% de cuivre - 0,15% de nickel - 0,010% d'aluminium, le reste étant constitué par du fer et quelques éléments résiduels constitués notamment par de l'antimoine, de l'étain et de l'arsenic, les teneurs en phosphore antimoine, étain et arsenic exprimées en pourcentage satisfaisant à la relation: (10P + 5Sb + 4Sn + As) 102 Un tel acier présente une résistance améliorée à la fatigue oligocyclique dans les conditions de service des mandrins ainsi qu'aux chocs mécaniques. Jusqu'à présent, les fabricants de mandrins ont adopté une teneur en chrome de l'ordre de 5% confor mément à la norme H13, ceci afin de procurer à 1' acier une bonne résistance à la fatigue thermique ainsi qu'une bonne résistance mécanique aux températures de service. Or, le chrome, de même que le molybdène, le vanadium et le carbone contribuent à fragiliser l'acier constituant les mandrins. Par conséquent, la Demanderesse a avantageusement choisi de diminuer les teneurs en éléments carburigènes et en carbone de la manière suivante Cr 4 4,5% Mo 4 1,5% V 4 0,8% C 4 0,4% Toutefois, la teneur en chrome ne doit pas etre inférieure à 2,5% en poids afin de conférer à l'acier une bonne résistance aux sollicitations à chaud telles la fatigue thermique, les chocs thermiques et la dureté à chaud ainsi que d'assurer la trempabilité dudit acier. Une teneur minimale en molybdène de 0,5% en poids est nécessaire afin de procurer à l'acier une résistance au fluage et une dureté à chaud suffisantes. De manière avantageuse, cet élément a un effet bénéfique sur la résistance à l'adoucissement des mandrins lors d'un maintien à haute température puisqu'il permet d'éviter les risques de déformations en service de ceux-ci. En outre, une teneur trop élevée en molybdène est nuisible à la ténacité de l'acier. Durant la fabrication des mandrins en acier selon l'invention, lors de l'opération de revenu, par précipitation de fins carbures, la présence de vanadium procure à l'acier un durcissement. Le choix d'une teneur minimale de 0,25% en poids assure aux mandrins une résistance à l'usure satisfaisante. La teneur en manganèse est fixée de manière à augmenter la trempabilité de l'acier. Cette teneur doit toutefois être inférieure à 1% en poids, afin de limiter l'effet négatif du manganèse sur la fragilité de revenu due aux opérations de fabrication et aux conditions d'emploi en service des mandrins. Avantageusement, une bonne désoxydation du matériau constitutif des mandrins est permise grâce à une teneur minimale en silicium de 0,2%. Selon la norme H13, la teneur en silicium est choisie entre 0,7 et 1,2% en poids. Désormais, en utilisant une nuance d'acier à teneur en silicium inférieure à 0,7 en poids, on améliore de manière significative la ténacité de ladite nuance. L'acier doit posséder à température ambiante ainsi qu a haute température des caractéristiques mécaniques lui permettant de répondre aux exigences des conditions de service des mandrins et une teneur minimale en carbone de 0,2% en poids est nécessaire pour satisfaire à ces exigences. Cependant, la teneur doit être inférieure à 0,4% pour permettre l'utilisation d'un fluide de refroidissement conférant, lors de la trempe des mandrins, les vitesses de refroidissement les plus élevées possibles. Un tel fluide peut être de l'eau, voire de l'eau additionnée de polymères ou de l'huile. La teneur en carbone combinée à celle des éléments carburigènes du type chrome, molybdène et vanadium apporte à l'acier une bonne résistance de l'usure. Au cours de sa fabrication ou de son utilisation, l'acier est exposé au phénomène de fragilité de revenu, ce qui impose des teneurs en éléments résiduels faibles constitués notamment par de l'antimoine, de l'étain et de l'arsenic. Ainsi, les teneurs de ces éléments résiduels sont limitées aux teneurs suivants As 4 0,010%, Sn 4 0,008%, Sb 4 0,002% Les teneurs en phosphore, antimoine, étain et arsenic satisfont à la relation X = (10P + 5Sb + 4Sn + As)102 > 15 où les éléments P, Sb, Sn, As sont exprimés en pourcentage et X étant le facteur de BRUSCATO qui traduit la sensibilité de l'acier à la fragilité de revenu. De plus, une basse teneur en soufre est nécessaire pour satisfaire aux exigences de propreté inclusionnaire et pour procurer une bonne résilience à l'acier. Cette basse teneur reste compatible avec de bonnes conditions d'usinage lors de la fabrication des mandrins. La Demanderesse a choisi une faible teneur en cuivre, moins de 0,2* , dans le but d'améliorer la forgeabilité de l'acier et de contribuer à la limitation des résiduels. L'aluminium est volontairement limité à 0,015% en poids et cette valeur suffit à procéder à une bonne désoxydation compte tenu de la teneur en silicium et est bénéfique à la ténacité du matériau en évitant les précipitations de nitrure d'aluminium. Des éléments tels que le cobalt et le tungstène sont volontairement absents de la composition de l'acier selon l'invention. En effet, le cobalt est connu pour améliorer la dureté à chaud et, par là-même, la résistance au fluage, la résistance à la fatigue thermique et la résistance à l'usure à chaud. Malgré cela, cet élément n'est pas souhaita ble en raison de son effet défavorable sur la ductilité et la ténacité de l'acier. En outre, on sait que le tungstène améliore la résistance à l'usure de l'acier ainsi que sa dureté par précipitation de carbures de tungstène au cours du traitement thermique. Cependant, cet élément est défavorable à la tenue aux chocs thermiques et donc, compte tenu du refroidissement accéléré du mandrin après l'opération de laminage d'un tube, il convient d'éliminer le tungstène. Des essais de traction et de résilience ont été effectués respectivement suivant les normes ASTM SA 370 et ASTM E23 sur des éprouvettes réalisées respectivement en acier selon la nuance dite H13 et en acier à l'état martensitique selon la nuance de l'invention. Ces essais ont permis de mettre en évidence les principaux avantages de la nuance d'acier selon l'invention par rapport à l'ancienne nuance H13. Comme représenté sur la figure, les essais montrent que la nuance H13 procure aux mandrins une énergie de résilience minimale de l'ordre de 20 à 25J pour une résistance à la rupture de 1250 MPa. Cette figure montre de manière significative qu'avec la nuance selon l'invention, une énergie de résilience minimale de l'ordre de 20 à 25J peut être obtenue avec une charge à la rupture de l'ordre de 1450 MPa. Le tableau ci-dessous fournit, pour des mandrins fabriqués à partir de la nuance selon l'invention et qui ont un diamètre de 270 mm, des valeurs de la limite d'élasticité à 0,2% (Rp 0,2%), de la résistance mécanique à la rupture (Rm), de l'allongement à la rupture (A), de la striction (Z) et de l'énergie de résilience (KV). Les essais de traction et de résilience effectués sur ces mandrins sont conformes à la norme ASTM A370. Ainsi pour une valeur de résistance mécanique à la rupture nettement plus élevée que le maximum requis pour les mandrins fabriqués à partir de la nuance H13, l'acier selon l'invention présente des valeurs de ductilité et de résilience remarquables. Rp0,2%(MPa) Rm (MPa) A(%) Z(%) KV (20"C) (J) 1 1144 1314 15,1 56 63/55/54 2 1196 1344 13,8 57 51/53/52 3 1151 1326 14,5 58 52/54/57 REVENDICATIONS 1. Acier pour mandrins de laminoirs à tubes, caractérisé en ce que sa composition pondérale est la suivante - de 2,5 à 4,5% de chrome - de 0,5 à 1,5% de molybdène - de O à 1% de manganèse - de O à 0,7% de silicium - de 0,25 à 0,8% de vanadium - de 0,2 à 0,4% de carbone - de O à 0,012% de phosphore - de O à 0,005% de soufre - de O à 0,2% de cuivre - de O à 0,5% de nickel - de O à 0,015% d'aluminium, le reste étant constitué par du fer et quelques éléments résiduels constitués notamment par de l'antimoine, de l'étain et de l'arsenic, et les teneurs en phosphore, antimoine, étain et arsenic exprimées en pourcentage satisfaisant à la relation (lOP + 5Sb + 4Sn + As)102 ç 15. 2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition pondérale est de préférence la suivante - de 2,8 à 3,8% de chrome - de 0,7 à 1,3% de molybdène - de O à 1% de manganèse - de 0,2 à 0,6% de silicium - de 0,4 à 0,8% de vanadium - de 0,25 à 0,4% de carbone - de O à 0,012% de phosphore - de O à 0,005% de soufre - de O à 0,15% de cuivre - de O à 0,5% de nickel - de O à 0,015 % d'aluminium, le reste étant constitué par du fer et quelques éléments résiduels constitués notamment par de l'antimoine, de l'étain et de l'arsenic, et les teneurs en phosphore, antimoine, étain et arsenic exprimées en pourcentage satisfaisant à la relation (10 P + 5Sb + 4 Sn + As)102 > 15. 3. Mandrin de laminoirs à tubes, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'un acier selon la revendication 1 ou 2.