Brevet FR2728591A1 — publié le 19960628

ACIER A SOUDABILITE AMELIOREE La présente invention concerne un acier faiblement allié à limite d'élasticité supérieure à 355 MPa, ayant une excellente soudabilité. En construction métallique, en construction navale, pour la construction de plate formes d'exploitation ou de forage pétrolier en mer, ou encore pour la fabrication de gros tubes soudés destinés par exemple au transport de gaz, on utilise des tôles à haute limite d'élasticité soudables en acier au carbone-manganèse contenant éventuellement du Niobium, du vanadium, du Nickel ou du cuivre, de 0,3% à 0,5 % de Silicium et de 0,02 % à 0,05 % d'Aluminium; la limite d'élasticité est supérieure à 355 MPa, la structure, obtenue souvent par laminage contrôlé, est en général du type ferritique avec plus ou moins de carbures. Ces tôles sont toujours assemblées par soudage, et comme les constructions qu'elles constituent sont soumises à des efforts importants, souvent à des températures assez basses, les aciers utilisés doivent êtres bien soudables pour que les joints soudés ne constituent pas des zones de faiblesse des constructions. En général pour assurer la sécurité des constructions soudées on prend des précautions de soudage, par exemple en limitant l'énergie de soudage, mais cette façon de procéder présente des inconvénients, notamment parce qu'elle ralentit beaucoup la fabrication des constructions. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé, notamment dans la demande de brevet EP 0177851, d'ajouter à ces aciers du Titane pour qu'il forme une fine dispersion d'oxydes de Titane destinés à favoriser la germination de la ferrite dans les zones affectées par la chaleur au cours du soudage afin d'affiner la structure de la zone affectée par la chaleur et ainsi d'améliorer sa ténacité. Cette formation d'oxydes de Titane nécessite d'une part une très faible teneur en Aluminium et un procédé de fabrication de l'acier dans lequel la coulée est faite très rapidement après l'introduction du Titane. Cette technique présente cependant des inconvénients liés notamment aux contraintes de fabrication de l'acier et parce que malgré tout, elle ne résout pas tous les problèmes de soudage. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un acier pour construction métallique à limite d'élasticité supérieure à 355 MPa et à très bonne soudabilité, ne nécessitant pas de contraintes de fabrication particulièrement sévères pour les aciéristes ; la très bonne soudabilité étant notamment déterminée par la ténacité des zones affectées par la chaleur au cours du soudage. A cet effet l'invention à pour objet un acier faiblement allié à limite d'élasticité supérieure à 355 MPa ayant une excellente soudabilité, caractérisé en ce que sa composition chimique, en poids, comprend 0,02 % 0% 0,8 % 0 % 0% 0 % 0 % 0% 0 % 0,01 % De préférence la teneur en Silicium est inférieure à 0,08 %, ce qui améliore encore la soudabilité. Pour fabriquer cet acier on peut on affiner une fonte non prétraitée, faire une pré-mise à nuance du Manganèse et du Silicium, puis soumettre l'acier liquide ainsi obtenu à un traitement sous vide pendant lequel on règle le Manganèse, le Carbone et le Silicium, on fait un réchauffage par silicothermie, et on désoxyde par une addition d'au moins un élément pris parmi le Titane, le Zirconium et l'Hafnium.L'acier ainsi obtenu est alors coulé sous forme d'un demi produit sans prendre de précautions particulières L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative en regard des figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est un diagramme montrant l'influence du Silicium sur la teneur en austénite retenue dans une zone affectée par la chaleur de soudage (ZAT), - la figure 2 est un diagramme montrant l'influence de la teneur en austénite retenue sur la ténacité d'un ZAT Les inventeurs ont constaté que, comme le montre la figure 2, lorsque la teneur en austénite retenue de la ZAT d'un acier ayant une microstructure ferritique, passait de 5 % à 1 %, la température de transition en résilience passait de - 500C à - 800C environ ; ils ont également constaté, et cela de façon inattendue, que la teneur en austénite retenue d'une ZAT était très sensible à la teneur en Silicium de l'acier, comme le montre la figure 1; sur cette figure on constate que, lorsque la teneur en Silicium est de 0,5 % la teneur en austénite retenue de la ZAT est d'environ 5 %, lorsque la teneur en Silicium est de 0,25 % la teneur en austénite retenue de la ZAT est encore de 3%, mais lorsque la teneur en Silicium devient inférieure ou égale à 0,1%, la teneur en austénite retenue de la ZAT devient inférieure ou égale à 1 %. En combinant ces deux courbes, on constate que, en réduisant en dessous de 0,1 % et mieux encore en dessous de 0, 05 % la teneur en Silicium d'un acier on améliore très significativement sa soudabilité L'acier selon l'invention est un acier contenant en poids entre 0,02% et 0,16% de Carbone, entre 0,8% et 2% de Manganèse, éventuellement jusqu'à 0,5% de Nickel, jusqu'à 0,5% de Molybdène, jusqu'à 0,6% de Cuivre, jusqu'à 0,06% de Niobium, jusqu'à 0,1% de Vanadium ; ces éléments permettent d'obtenir les caractéristiques mécaniques, et notamment une limite d'élasticité supérieure à 355 MPa, souhaitées pour les aciers de construction métallique du type S355ML à S460ML tels que définis dans les normes européennes EN 10025, EN 10113, et EN 10225, ou pour les aciers du type EH36 tels que définis par la norme, ou encore les aciers pour gros tubes soudés de grade X60, X65, X70,X80, X90, X100 définis par la norme API 5L notamment. Cet acier peut contenir de l'Aluminium, mais la teneur en cet élément doit rester inférieure à 0,005% et de préférence doit être la plus faible possible pour ne pas ralentir la transformation de l'austénite en ferrite dans la ZAT pendant le cycle thermique associé à l'opération de soudage car un tel ralentissement favorise l'obtention de microstructures fragilisantes. L'acier ne doit pas contenir plus de 0,1% de Silicium et de préférence pas plus de 0,08% et mieux encore la teneur en cet élément doit être la plus faible possible compte tenu des contraintes imposées par l'élaboration et notamment par la nécessité de déphosphorer l'acier. I'imposition d'une faible teneur en Silicium résulte des raisons exposées cidessus. Les teneurs en Aluminium et en Silicium étant strictement limitées, l'acier doit être désoxydé par addition d'au moins un élément pris parmi le Titane , le Zirconium et l'Hafnium ce qui conduit à des teneurs cumulées en ces trois éléments comprises entre 0,01 % et 0,04 %. Le reste de la composition est constitué de Fer et d'impuretés résultant de l'élaboration. Pour élaborer un tel acier, et notamment pour obtenir de très faibles teneurs en Aluminium et en Silicium tout en ayant un bas Phosphore, c' est à dire une teneur en Phosphore inférieure à 0,02%, on peut affiner au convertisseur une fonte non prétraitée, et on effectue une pré-mise à nuance en poche par addition de manganèse et de silicium, puis on fait la mise à nuance définitive au RHOB (RH avec injection d'oxygène) au cours de cette mise à nuance définitive, on règle de façon connue le Manganèse, le Carbone et le Silicium, on réchauffe par silicothermie, puis on désoxyde par addition d'au moins un élément pris parmi le Titane, le Zirconium et l'Hafnium.L'acier ainsi obtenu est alors prêt à être coulé A titre d'exemple on a fabriqué un acier A du type X65 selon l'invention et un acier B selon l'art antérieur dont les compositions étaient, en %, en poids: acier A (invention): C Mn Si Ti Nb Al 0,065 1,56 0,09 0,012 0,04 0,002 acier B (art antér.): 0,065 1,56 0,225 0,013 0,04 0,030 On a réalisé avec ces aciers des essais de résilience Charpy V à - 30 OC sur ZAT simulées par un chauffage rapide jusqu'à 13500C suivi immédiatement par un refroidissement caractérisé par une durée de refroidissement entre 7000C et 3000C de 74 secondes. Pour l'acier A l'énergie de rupture était de 271 Joules alors que pour l'acier B l'énergie de rupture n'était que de 177 Joules. A titre d'exemple également, on a fabriqué un acier du type E460 selon l'invention de composition chimique, en poids % C Mn Si Ti Ni Cu Nb Al 0,067 1,595 0,09 0, 13 0,36 0,227 0,011 0,002 et on a fait des essais de résilience Charpy V à -8O0C en peau de tôle sur joint soudé à 50kJ/cm qui ont donné des énergies de rupture supérieures à 129 Joules A titre de comparaison, on a fait les mêmes essais avec un acier de type E420, c'est à dire ayant une limite d'élasticité plus faible que celle de l'acier précédent, et conforme à l'art antérieur, dont la composition chimique, en poids % était C Mn Si Ti Ni Cu Nb Al 0,087 1,513 0,308 0,012 0,418 0,011 0,014 0,026 Avec cet acier les énergies de rupture étaient toutes inférieures à 80 Joules, ce qui montre que la soudabilité était nettement moins bonne que celle de l'acier comparable réalisé selon l'invention. Avec cet acier les énergies de rupture étaient toutes inférieures à 80 Joules ce qui montre que la soudabilité était nettement moins bonne que celle de l'acier comparable réalisé selon l'invention. REVENDICATIONS 1 - Acier faiblement allié à limite d'élasticité supérieure à 355MPa ayant une excellente soudabilité, caractérisé en ce que sa composition chimique comprend en poids 0,02 % 0% 0,8 % 0 % 0% 0 % 0 % 0% 0 % 0,01 % 2 - Acier faiblement allié selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa teneur en Silicium est inférieure à 0,08 %. 3 - Procédé pour la fabrication d'un acier selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que - on affine une fonte non prétraitée, - on fait une pré-mise à nuance du Manganèse et du Silicium, - on soumet l'acier liquide ainsi obtenu à un traitement sous vide pendant lequel on règle le Manganèse, le Carbone et le Silicium, on fait un réchauffage par silicothermie, et on désoxyde par une addition d'au moins un élément pris parmi le Titane, le Zirconium et l'Hafnium, - et on coule l'acier sous forme d'un demi produit.