Brevet FR2753989A1 — publié le 19980403

La présente invention concerne un procédé perfectionné pour fabriquer de l'acier inoxydable ferritique à deux phases, présentant une aptitude élevée à la déformation et contenant 17 pour cent de chrome (selon la norme AISI-430). Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé pour fabriquer des bandes d'acier inoxydable, désignés sous le sigle DPFSS, sans passage au "skin pass", qui présentent une limite apparente d'élasticité et un rapport limite d'élasticité/résistance à la rupture plus faibles et une résistance à la rupture, un allongement total, un exposant d'écrouissage et une anisotropie plastique, qui sont plus élevés que pour les bandes correspondantes, CFSS, fabriquées selon le procédé existant avec ou sans passage au skin pass. Dans le cadre des mesures pour satisfaire les besoins de la société en ce qui concerne les économies des ressources naturelles et de l'énergie, on a assisté à une forte demande d'acier inoxydable ferritique à faible teneur en carbone et à 17 % Cr, pour des utilisations domestiques et industrielles. Ces demandes ont été favorisées également par le fait que cet acier possède un coût relativement faible, une bonne résistance à la corrosion et un aspect plaisant du point de vue esthétique. Le procédé classique de production commerciale des bandes d'acier adoptées dans le monde aujourd'hui consiste à réaliser une coulée continue sous forme de brames, à laminer à chaud les brames sous la forme de bandes, à effectuer un recuit discontinu des bandes à chaud dans des fours à mouffle à une température (dans la gamme : 1093 - 1123 K) pendant une durée totale de 50 heures, à décaper les bandes à chaud recuites, à effectuer un laminage à froid jusqu'à obtenir les épaisseurs finales en une seule ou en deux phases et enfin à effectuer un recuit continu à 1123 K pendant environ 60 secondes dans la zone de la phase unique (a) d'un diagramme % Cr - température (représenté sur la figure 1 annexée à la présente demande) et effectuer un décapage avant un passage au "skin pass" pour obtenir les produits finis (CFSS). De telles bandes CFSS possèdent des propriétés mécaniques médiocres, une faible aptitude au formage et présentent un défaut de surface connu comme déformations en bandes ou bandes de Lüders, qui se forme pendant l'opération de formage. La formation de déformations en bandes a été attribuée à la présence d'un allongement à la limite d'élasticité élevé ( 4 %) dans les bandes CFSS. Pour éliminer ce défaut de surface, on soumet les bandes CFSS à un passage au "skin pass" dans un laminoir de "skin pass", dans lequel la déformation nécessaire est appliquée en un certain nombre d'étapes, habituellement en cinq étapes. Cette opération de passage au "skin pass" altère les propriétés de formage et affecte également la productivité des bandes. D'une manière générale, la déformabilité du feuillard est évaluée par l'exposant d'écrouïssage moyen (n) et par l'anisotropie plastique moyenne (r), n déterminant le comportement du matériau à l'allongement, et la capacité d'étirage étant évaluée par la valeur r. La présente invention a pour but de fournir un procédé perfectionné de fabrication de tôles d'acier selon la spécification AISI-430, qui soient essentiellement exemptes de déformations en bandes, sans qu'il soit nécessaire d'exécuter des opérations de passage au "skin pass" pendant le processus de fabrication. Un autre but est d'améliorer les propriétés mécaniques des tôles d'acier produites. Un autre but est d'accroître la productivité de la fabrication des tôles d'acier. Le procédé perfectionné selon l'invention a pour objet de produire une fraction de faible volume d'une phase relativement plus dure (martensite) dans une matrice moins dure (par exemple la ferrite), désignée ci-après sous l'expression "à deux phases", qui est le siège d'une défor mat ion plastique continue par contraste avec une déformation discontinue observée habituellement dans le cas de bandes d'acier CFSS produites selon le procédé existant. La production de la structure à deux phases dans les bandes d'acier produites lors du procédé perfectionné, désigné ci-après sous l'expression acier DPFSS, non seulement élimine les déformations en bandes, mais également améliore les propriétés mécaniques et notamment les propriétés de formage de l'acier produit. Ainsi l'invention fournit un procédé perfectionné pour fabriquer de l'acier inoxydable ferritique à deux phases, présentant une aptitude élevée au formage et contenant 17 pour cent de chrome (selon la spécification AISI430), sous la forme de bandes, dites DPFSS, non traitées par passage au "skin pass", lesdite bandes présentant une limite d'élasticité et un rapport limite d'élasticité/résistance à la rupture, plus faibles et une résistance de rupture, un allongement total, un exposant d'écrouïssage et une anisotropie plastique, qui sont plus élevés que pour les bandes correspondantes, dites CFSS, fabriquées selon le procédé existant avec ou sans passage au "skin pass", ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à (i) choisir des bandes à chaud d'une épaisseur d'environ 4 mm en acier inoxydable ferritique fabriqué commercialement (selon le procédé classique) ayant pour composition nominale (en % en poids) : C - 0,017, Si - 0,19, Mn - 0,19, P - 0,017, S - 0,002, Cr - 17,61, Ni - 0,13, N 0,035, Cu - 0,04, le reste étant constitué par du fer; (ii) effectuer un recuit des bandes à chaud dans un four à mouffle dans une zone à une seule phase (a) d'un diagramme % Cr - température de la figure 1 de la demande de brevet, à une température comprise entre 1050 et 1150K pendant une durée totale de 45 à 55 heures avec une période de séjour de 4 à 6 heures; (iii) décaper les bandes à chaud recuites; (iv) laminer à froid les bandes à chaud décapées, pour les amener à une épaisseur de 0,7 mm en deux phases avec recuit intermédiaire et décapage intermédiaire entre les phases de laminage, le taux de réduction d'épaisseur des bandes pendant la première phase étant de 55 à 65 % alors qu'il est de 65 à 75 % pendant la seconde phase de laminage, et le recuit intermédiaire étant exécuté dans un four de recuit continu à une température de 1100 à 1150 K pendant 2 à 4 minutes; (v) effectuer un recuit des bandes laminées à froid lors de la seconde étape, dans la zone à deux phases (a + y) du diagramme % Cr - température de la figure 1 de la demande de brevet dans une gamme de températures du four de 1200 à 1400 K (pour une température des bandes de 1150 à 1250 K) pendant 0,5 à 1,5 minute; (vi) décaper les bandes obtenues lors de l'étape v); et (vii) effectuer une trempe des bandes décapées lors de l'étape (vi) à l'air ou à l'eau. De façon plus préférentielle, le recuit exécuté lors de l'étape ii) est effectué à une température de 1103 K pendant une durée totale de 50 heures avec une période de maintien en température de 5 heures; le degré de réduction, réalisé lors de la première phase de l'étape (iv), de l'épaisseur des bandes est égal à 60 % et celui intervenant lors de la seconde phase est de 69 %, et le recuit intermédiaire est exécuté à une température de 1123 K pendant 3 minutes; et le recuit des bandes lors de l'étape (v) est exécuté avec une température du four de 1253 K (pour une température de la bande de 1223 K) pendant 1 minute. Les bandes d'acier (CFSS) fabriquées au moyen du procédé existant subissaient un recuit final, avant l'opération de passage au "skin pass", dans un four de recuit continu à une température de 1123 K pendant 1 minute, puis étaient décapées à l'acide. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente un diagramme % Cr - température, c'est-à-dire un diagramme d'équilibre de l'alliage Fe (0,05 % C - Cr); - la figure 2 représente la courbe charge allongement des aciers fabriqués par le procédé existant et par le procédé perfectionné; - la figure 3(a) représente la microstructure de l'acier (DPFSS) fabriqué au moyen du procédé perfectionné; - la figure 3(b) représente la microstructure de l'acier (CFSS) fabriqué au moyen du procédé classique; - la figure 4(a) représente la courbe contrainte - déformation de l'acier DPFSS; - la figure 4(b) représente la courbe contrainte - déformation de l'acier CFSS, qui n'a subi aucun passage au "skin pass"; et - la figure 4(c) représente la courbe contrainte - déformation de l'acier CFSS, qui a subi un passage au "skin pass". En référence à la figure 1, la zone désignée par (a) se rapporte à la phase "ferrite", celle désignée par (y) se rapporte à la phase "austénite", celle désignée par (a + y) se réfère à la "phase double", et celle désignée par (a + kl) et (a + k2) se réfère à la phase "carbure". La phase ferrite (matrice) (a) désigne la solution solide du carbone dans du fer à réseau cubique centré (a), la phase d'austénite (y) désigne la solution solide du carbone dans le fer à réseau cubique à faces centrées (y), la phase de martensite (oui' ) désigne la phase du réseau cubique centré obtenue par transformation à partir de la phase (y), au moyen d'un mécanisme de cisaillement. En référence à la figure 2, la courbe (A) correspond à l'acier fabriqué au moyen du procédé perfectionné par recuit des tôles d'acier laminées à froid dans la phase double (a + y) à une température d'environ 980 C, et la courbe (B) correspond à l'acier fabriqué au moyen du procédé existant par recuit des tôles d'acier laminées à froid dans la phase unique (a) à une température d'environ 880 C. Les évaluations des microstructures des bandes DPFSS, des bandes CFSS et des bandes CFSS ayant subi un passage au "skin pass", ont été exécutées au moyen de la microscopie optique et de la microscopie électronique à transmission (TEM), alors que leurs propriétés mécaniques, notamment la limite d'élasticité (Y.S.), la résistance de rupture (U.T.S.), le pourcentage total d'allongement et le pourcentage d'allongement de la limite d'élasticité (Y.P.E.) ont été déterminés en effectuant des tests de traction sur des éprouvettes orientées à 90 par rapport à la direction de laminage (c'est-à-dire des éprouvettes s'étendant dans la direction transversale). L'aptitude au formage de ces bandes a été évaluée au moyen de paramètres expérimentaux, à savoir qu'on a également évalué les valeurs r et n expérimentalement en déformant de 15 % les éprouvettes de traction orientées sous un angle de 0 , 45 et 90 par rapport à la direction de laminage en utilisant les relations suivantes rO + 2r45 + r90 r = -------------------- 4 7 n00 + 2n4s + n90 n = --------------------- . . . (1) 4 r étant le rapport des déformations plastiques dans le sens de la largeur et dans le sens de l'épaisseur et l'exposant d'écrouïssage étant déterminé au moyen de l'utilisation de la relation a = Ken. Ici, a, e et K représentent respectivement la contrainte vraie, la déformation plastique vraie et le coefficient de résistance. En outre, on a déterminé les composants de texture responsables du comportement quant à l'aptitude à l'étirage des bandes, en exécutant l'analyse de texture par utilisation d'une technique à fonction de distribution d'orientation (ODF) au niveau de leurs épaisseurs médianes. Les figures 3(a) et 3(b) représentent respectivement les microstructures des bandes DPFSS et CFSS fabriquées commercialement. La caractéristique essentielle de la microstructure représentée sur la figure 3(a) est la présence d'une structure à deux phases (par exemple 5 % de martensite dans la matrice de ferrite) dans la bande de tôle DPFSS. En outre, une faible quantité de carbure (M23C6) est également présente dans cette microstructure. La présence de la martensite sous la forme de lamelles a également été confirmée au moyen de la microscopie électronique à transmission lors de l'examen sur lames minces de la bande DPFSS. D'autre part, la ferrite et le carbure sont les seuls composants de la microstructure de la bande CFSS (figure 3(b)). On a également observé, sur la base de l'analyse ODF de la bande DPFSS, que sa texture était rendue aléatoire sous l'effet du recuit en deux phases. Au contraire, les résultats ODF obtenus pour la bande CFSS montraient la présence de C001) en tant que constituant principal de la texture de la bande. Ce constituant de texture n'est pas souhaitable du point de vue de l'aptitude au formage en particulier en ce qui concerne l'aptitude à l'étirage, étant donné qu'il réduit la valeur r. La figure 4 montre clairement les courbes contrainte - déformation des bandes DPFSS, CFSS et CFSS ayant subi le passage au "skin pass". La caractéristique la plus intéressante sur cette figure est l'absence d'allongement à la limite élastique dans la bande DPFSS (figure 4(a)), alors qu'il existe un allongement limite d'élasticité de l'ordre de 3,5 % dans la bande CFSS (figure 4(b)). On voit que pour la bande CFSS (figure 4(c)), après le passage au "skin pass", on a une suppression complète de l'allongement à la limite d'élasticité. L'absence d'allongement à la limite d'élasticité (c'est-à-dire les déformations continues de la bande DPFSS) a été attribuée à la présence de la faible quantité de martensite sous forme de lamelles dans la matrice de ferrite. La formation de cette martensite sous forme de lamelles, obtenue sous l'effet du recuit en deux phases, lors duquel la transformation partielle de l'austénite ("gamma") en martensite se produit pendant une trempe de la bande à l'air ou à l'eau, conduit à la production d'une haute densité de dislocations mobiles dans les grains de ferrite contigus, et par conséquent la bande DPFSS a un comportement continu pendant la déformation en traction. La présence de dislocations mobiles a été confirmée par l'étude en microscopie TEM. Les propriétés mécaniques et les propriétés d'aptitude au formage de ces bandes sont indiquées respectivement dans les tableaux IV et V. Il est intéressant d'observer, dans ces tableaux, ainsi que sur la figure 4, que la bande DPFSS possède une faible limite d'élasticité, une résistance à la rupture accrue, un allongement total accru, un exposant d'écrouïssage accru et une anisotropie plastique accrue par rapport à ces mêmes caractéristiques de la bande CFSS et de la bande CFSS ayant subi le passage au "skin pass". Cependant, la valeur de l'exposant d'écrouïssage de la bande CFSS est comparable à celui du feuillard DPFSS. Les propriétés mécaniques d'éprouvettes recuites en laboratoire sont indiquées dans le tableau VI. Les résultats FLD ont également révélé que le comportement au formage de la bande DPFSS était meilleur que celui de la bande CFSS. Par conséquent, l'amélioration globale des propriétés mécaniques, en particulier la faible limite d'élasticité et le faible rapport Y.S./U.T.S. en combinaison avec des valeurs élevées de r et n, obtenus comme résultat de la production de la structure à deux phases dans la bande DPFSS au moyen d'un recuit continu dans la région à deux phases, à une température élevée (autour de 1253 K) rend ces bandes beaucoup plus aptes au formage par comparaison avec les performances de formage de la bande CFSS après passage au "skin pass". En outre, l'absence d'allongement à la limite élastique dans la bande DPFSS - telle qu'elle est obtenue conformément à la présente invention - supprime la nécessité de l'opération de passage au "skin pass" pour éviter l'allongement à la limite d'élasticité (déformation de Lüders) avec un accroissement important de la productivité et une économie d'énergie pendant la fabrication commerciale des bandes. En outre, les composants formés à partir des bandes DPFSS étaient exempts de déformations en bandes. Ainsi, le procédé perfectionné fournit les avantages suivants par rapport au procédé existant 1. L'allongement à la limite d'élasticité de l'acier est supprimé sans que le produit soit soumis à un passage au "skin pass". 2. Les propriétés mécaniques de l'acier produit sont améliorées. 3. Le coût de fabrication de l'acier est réduit en raison de la suppression du passage au "skin pass". 4. Les défauts de surface (c'est-à-dire les déformations en bandes) dans l'acier fabriqué sont supprimés. TABLEAU - IV Propriétés mécaniques d'une bande produite commercialement Bandes Y.S. U.T.S. Allonge- Y.P.E. Rapport (MPa) (MPa) ment (%) total(%) U.T.S DPFSS 304,75 515,50 36,00 0,00 0,59 CFSS 320,70 436,40 34,00 3,50 0,73 CFSS SOUMISES 337,15 468,40 30,00 0,00 0,72 AU PASSAGE AU SKIN PASS TABLEAU - V Propriétés d'aptitude au formage de bandes produites commercialement Bandes r00 r45 r90 r non n45 n900 n DPFSS 1,12 0,82 1,66 1,11 0,23 0,24 0,23 0,24 CFSS 0,71 0,80 1,43 0,94 0,23 0,25 0,24 0,24 CFSS- 0,71 0,80 1,43 0,94 0,17 0,18 0,17 0,18 SOUMISES AU PASSAGE AU SKIN PASS TABLEAU - VI Propriétés mécaniques d'éprouvettes recuites en laboratoire N d'éprou- Tempéra- Milieu Y.S. U.T.S. Allongevette ture de de (MPa) (MPa) ment to- Y.P.E. recuit refroi- tal (%) (K) dissement 1. 1113 AC 310,67 427,37 34 3,1 2. 1113 WQ 272,82 421,29 35 2,0 3. 1133 AC 325,87 431,98 35 3,6 4. 1133 WQ 280,37 427,47 36 2,6 5. 1153 AC 321,36 426,59 35 3,4 6. 1153 WQ 303,22 430,41 35 3,0 7. 1173 AC 272,82 436,40 31 0,8 8. 1173 WQ 310,67 448,65 35 0,4 AC = REFROIDISSEMENT PAR AIR YS : LIMITE ELASTIQUE WQ = TREMPE A L'EAU UTS : RESISTANCE A LA RUPTURE YPE : ALLONGEMENT A LA LIMITE ELASTIQUE TABLEAU - VI (suite) Propriétés mécaniques d'éprouvettes recuites en laboratoire N d'éprou- Tempéra- Milieu Y.S. U.T.S. Allongevette ture de de (MPa) (MPa) ment to- Y.P.E. recuit refroi- tal (%) (K) dissement 9. 1193 AC 257,62 447,18 29 0,6 10. 1193 WQ 303,12 465,33 26 0,2 11. 1213 AC 250,07 477,88 28 12. 1213 WQ 295,57 485,04 30 13. 1233 AC 234,97 477,49 31 14. 1233 WQ 295,57 495,63 30 15. 1253 AC 250,07 485,04 35 16. 1253 WQ 300,08 509,26 30 17. 1273 AC 242,52 478,56 32 AC = REFROIDISSEMENT PAR AIR YS : LIMITE ELASTIQUE WQ = TREMPE A L'EAU UTS : RESISTANCE A LA RUPTURE YPE : ALLONGEMENT A LA LIMITE ELASTIQUE TABLEAU - VI (suite) Propriétés mécaniques d'éprouvettes recuites en laboratoire N d'éprou- Tempéra- Milieu Y.S. U.T.S. Allongevette ture de de (MPa) (MPa) ment to- Y.P.E. recuit refroi- tal (%) (K) dissement 18. 1273 WQ 288,02 497,20 32 19. 1293 AC 250,07 477,49 30 20. 1293 WQ 295,57 503,18 32 21. 1313 AC 250,07 472,88 28 22. 1313 WQ 310,67 509,26 32 23. 1333 AC 257,72 469,84 29 24. 1333 WQ 318,32 507,69 29 25. 1353 AC 264,78 462,29 29 26. 1353 WQ 333,42 507,79 26 AC = REFROIDISSEMENT PAR AIR YS : LIMITE ELASTIQUE WQ = TREMPE A L'EAU UTS : RESISTANCE A LA RUPTURE YPE : ALLONGEMENT A LA LIMITE ELASTIQUE REVENDICATIONS 1. Procédé perfectionné pour fabriquer de l'acier inoxydable ferritique à deux phases, présentant une aptitude élevée au formage et contenant 17 % de chrome (selon la spécification AISI-430), sous la forme de bandes non traitées par passage au skin pass , lesdites bandes présentant une limite d'élasticité et un rapport limite d'élasticitélrésistance à la rupture, plus faibles et une résistance à la rupture, un allongement total, un exposant d'écrouïssage et une anisotropie plastique, qui sont plus élevés que pour les bandes correspondantes, fabriquées selon le procédé existant avec ou sans passage au skin pass , ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: (i) choisir des bandes à chaud d'une épaisseur d'environ 4 mm formées d'un acier inoxydable ferritique fabriqué commercialement (selon le procédé classique) ayant pour composition nominale (en % pondéroux): C - 0,017, Si - 0,19, Mn - 0,19, P - 0,017, S - 0,002, Cr - 17,61, Ni - 0,13, N - 0,035, Cu - 0,04, le reste étant formé de fer; (ii) effectuer un recuit des bandes à chaud dans un four à mouffle dans une zone à phase unique (a) d'un diagramme % Cr - température selon la figure 1 de la demande de brevet, à une température comprise entre 1050 et 1150 K pendant une durée totale de 45 à 55 heures avec une période de séjour de 4 à 6 heures; (iii) décaper les bandes à chaud recuites; (iv) laminer à froid les bandes à chaud décapées, pour les amener à une épaisseur d'environ 0,7 mm en deux phases avec recuit intermédiaire et décapage intermédiaire entre les phases opératoires, le degré de réduction d'épaisseur des bandes pendant la première phase étant de 55 à 65 % alors qu'il est de 65 à 75 % pendant la seconde phase, et le recuit intermédiaire étant exécuté dans un four de recuit continu à une température de 1100 à 1150 K pendant 2 à 4 minutes; (v) effectuer un recuit des bandes, laminées à froid lors de la seconde étape, dans la zone à deux phases (vi) décaper les bandes obtenues lors de l'étape (v) ; et (vii) effectuer une trempe sur les bandes décapées lors de l'étape (vi) à l'air ou à l'eau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le recuit exécuté lors de l'étape (ii) est effectué à une température de 1103 K pendant une durée totale de 50 heures avec une période de séjour de 5 heures. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le degré de réduction obtenu lors de la première phase de l'étape (iv), de l'épaisseur des bandes est égal à 60 % et que celui intervenant lors de la seconde phase est de 69 %, et le recuit intermédiaire est exécuté à une température de 1123 K pendant 3 minutes. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le recuit des bandes lors de l'étape (v) est exécuté avec une température de four de 1253 K (pour une température de la bande de 1223 K) pendant 1 minute.