Brevet FR2835001A1 — publié le 20030725

Procédé de fabrication d'une tôle d'acier magnétique, tôles et pièces obtenues La présente invention concerne un nouveau procédé de fabrication de tôles d'acier magnétique à grains non orientés présentant des propriétés magnétiques améliorées, les tôles ainsi obtenues ainsi que les pièces fabriquées à partir de ces tôles. Ce type d'acier est notamment utilisé pour la fabrication de pièces pour l'électrotechnique, dont le rôle est de coupler différents circuits électriques pour permettre le transfert d'énergie électromagnétique des uns aux autres. Ce transfert d'énergie suppose notamment que la densité de flux magnétique (encore appelée induction) obtenue lorsque l'on soumet le matériau à un champ, soit la plus élevée possible. Une autre des propriétés caractéristiques de ces aciers est leur niveau de pertes magnétiques totales qui résultent des pertes par hystérésis d'une part et des pertes par courant de Foucault, d'autre part. Ces pertes doivent être les plus faibles possibles. A cet effet, on connaît des aciers fortement alliés dont le niveau de pertes magnétiques dépend essentiellement de la composition chimique. Ces aciers contiennent plus de 1,5% en poids de silicium. Ces nuances présentent de bons niveaux de pertes magnétiques, mais ne permettent pas d'obtenir un bon niveau d'induction en raison de leur forte teneur en alliage, qui les rend en outre coûteuses. Afin d'améliorer ce niveau d'induction, on fait généralement subir aux tôles d'acier un traitement thermique de recuit à l'issue du laminage à chaud, ce qui permet de développer une texture favorable, mais ajoute une étape coûteuse au procédé de fabrication. La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients des procédés de l'art antérieur en mettant à disposition un nouveau procédé de fabrication de tôles métalliques qui permette d'obtenir un matériau présentant un meilleur rapport pertes magnétiques/induction, tout en étant plus simple à mettre en oeuvre. A cet effet, un premier objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication d'une tôle d'acier magnétique comprenant : - l'élaboration d'un acier dont la composition comprend, exprimés en % en poids : le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de ladite élaboration, puis la coulée d'une brame, - un laminage à chaud de cette brame pour obtenir une tôle, ledit laminage se terminant à une température comprise entre celle du point Ar3 diminuée de 80 C et celle du point Ar3, - un bobinage de la tôle à une température supérieure à 680 C,/ - un laminage à froid jusqu'à atteindre une épaisseur de la tôle supérieure à l'épaisseur finale désirée, suivi d'un traitement thermique de la tôle, et - un écrouissage de la tôle. Les présents inventeurs ont en effet découvert que la combinaison des teneurs en silicium, aluminium, étain et phosphore revendiquées améliorait de façon surprenante et notable les propriétés magnétiques de la nuance d'acier. En outre, ils ont découvert qu'en appliquant des conditions particulières pendant l'opération de laminage à chaud et de bobinage, il était possible d'améliorer considérablement l'induction de la tôle obtenue, tandis que les pertes magnétiques par hystérésis sont diminuées. En effet, la température de fin de laminage est telle que celui-ci se termine dans le domaine ferritique. Cette caractéristique combinée au contrôle d'une température de bobinage relativement élevée permet la recristallisation et le grossissement des grains de la tôle à chaud par un phénomène d'auto-recuit. L'amélioration sensible de l'induction est probablement due à la formation de composantes de texture de Goss, comme on peut en trouver dans les aciers à grains orientés, mais aussi de texture planaire. La composante défavorable {111} est également diminuée lors du processus grâce à la présence de l'étain qui, en ségréguant aux joints de grains, empêche la germination et la croissance de grains de texture {111} pendant la recristallisation, favorisant ainsi la croissance des grains au recuit suivant le laminage à froid. En outre, l'auto-recuit qui a lieu au cours de ce procédé permet de supprimer l'étape classique de recuit de la tôle bobinée désormais sans objet. La teneur en étain de la composition selon l'invention doit être comprise entre 0,01 et 0,20% en poids, et de préférence entre 0,08 et 0,12% en poids. En effet, si la teneur en étain est inférieure à 0,01%, on n'observe pas suffisamment de réduction des pertes magnétiques. Par contre, si la teneur en étain dépasse 0,20% en poids, l'acier a une ductilité trop faible. La teneur en carbone de la composition selon l'invention est inférieure à 0,1% en poids, et est de préférence inférieure ou égale à 0, 01% en poids. En effet, lorsque la teneur en carbone est inférieure à 0, 01%, le traitement thermique effectué sur les pièces, après découpe des tôles écrouies, ne nécessite alors qu'une montée en température immédiatement suivie d'un refroidissement, sans maintien en température. La teneur en silicium de la composition selon l'invention doit être comprise entre 0 et 1,5% en poids. Plus on augmente la teneur en silicium, plus les pertes magnétiques diminuent, mais, dans le même temps plus la perméabilité de l'acier diminue. On choisit de préférence une teneur en silicium comprise entre 1,00 et 1,50% en poids. La teneur en aluminium de la composition selon l'invention doit être inférieure à 1% en poids, et est de préférence comprise entre 0,10 et 0,30% en poids. L'aluminium améliore les propriétés magnétiques de l'acier et on l'ajoute donc pour réduire les pertes magnétiques. Mais il ne doit pas être présent en trop grande quantité, car il est néfaste pour sa ductilité. La teneur en azote de la composition doit être inférieure à 0, 01% en poids pour limiter la précipitation de nitrures d'aluminium. La teneur en manganèse de la composition selon l'invention doit être comprise entre 0,10 et 1% en poids. Le manganèse améliore les propriétés mécaniques de l'acier en empêchant sa rupture pendant le laminage à chaud. Sa teneur est de préférence comprise entre 0,20 et 0,35% en poids. Le phosphore peut être présent dans l'acier selon l'invention en une teneur inférieure ou égale à 0,20% en poids. On ne dépasse pas cette valeur, car il fragilise l'acier lors du laminage. On l'ajoute de préférence en une teneur comprise entre 0,03 à 0,15% en poids pour augmenter la résistivité de l'alliage ce qui permet de réduire les pertes dues aux courants de Foucault. Le procédé selon l'invention commence donc par l'élaboration de la nuance, à l'issue de laquelle, l'acier peut être coulé sous forme d'une brame que l'on réchauffe à une température suffisante pour la laminer à chaud jusqu'à atteindre une épaisseur de l'ordre de 2,4 mm, par exemple. On peut ensuite procéder au bobinage de la tôle à une température supérieure à 680 C. Dans un mode de réalisation préféré, la température de bobinage est supérieure à 700 C, en particulier supérieure à 720 C, ce qui permet d'améliorer encore les performances magnétiques des matériaux. La tôle laminée à chaud est ensuite décapée et laminée à froid, de préférence jusqu'à une épaisseur supérieure de 2 à 10% à l'épaisseur finale désirée, pour subir un traitement thermique qui est, de préférence, un recuit effectué à une température comprise entre 750 et 850 C, par exemple en atmosphère non oxydante. Le laminage à froid est effectué avec un taux de réduction qui est de préférence compris entre 70 et 80 %. L'épaisseur finale désirée sera obtenue par la suite, lors de l'opération d'écrouissage, qui est effectué avec un taux de réduction qui est de préférence compris entre 2 et 10%. L'écrouissage permet de renforcer les caractéristiques mécaniques afin de faciliter l'opération de découpage et le taux d'écrouissage utilisé dépend de la découpabilité que l'on souhaite obtenir. Un deuxième objet de l'invention est constitué par les tôles d'acier obtenues par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans ses différentes variantes. Par ailleurs, l'écrouissage dégrade également les propriétés magnétiques de ces pièces. Il est donc préférable de faire subir aux pièces découpées un nouveau traitement thermique, afin de rétablir leurs propriétés magnétiques. Ainsi, un troisième objet de l'invention est constitué par les pièces en acier magnétique à grains non orientés fabriquées par découpe d'une tôle selon l'invention, suivie d'un traitement thermique final, ledit traitement étant de préférence un recuit effectué à une température comprise entre 750 et 850 C. On préfère les pièces présentant, pour une épaisseur de 0,50 mm, des pertes magnétiques totales inférieures à 4,50 W/kg ainsi qu'une induction supérieure à 1,70 T lorsqu'on applique un champ de 5000 A/m. On préfère également les pièces présentant, pour une épaisseur de 0,65 mm, des pertes magnétiques totales inférieures à 4 W/kg et une induction supérieure à 1,68 T lorsqu'on applique un champ de 5000 A/m. Les pièces selon l'invention sont avantageusement utilisées pour la fabrication de moteurs à haut rendement, en particulier les moteurs de compression frigorifiques basses pression, pour lesquels les capacités de refroidissement du moteur sont plus faibles. La présente invention va à présent être illustrée à partir des observations et des essais qui suivent, le tableau ci-dessous donnant la composition chimique des différents aciers testés, parmi lesquels, les coulées 1 et 4 sont conformes à la présente invention tandis que les coulées 2 et 3 sont utilisées à titre de comparaison. Composition Coulée 1 Coulée 2 Coulée 3 Coulée 4 (% en poids) C 0, 003 0, 003 0, 003 0, 003 Si 1, 3 1, 3 2, 05 0, 30 AI 0, 180 0, 105 0, 300 0, 10 Mn 0, 275 0, 275 0, 275 0, 90 P0, 115 0, 050 0, 010 0, 05 Sn 0,110 - - 0,10 Abréviations employées W1, 5T : perte magnétique totale à 1,5 Tesla et 50Hz, exprimée en W/kg, B5000 : densité de flux magnétique (ou induction) sous un champ de 5000 A/m, exprimée en Tesla, Exemple 1-Mesure sur des pièces d'épaisseur 0,65 mm On fabrique des tôles à partir de la coulée 1 conforme à l'invention et de chacune des coulées 2 et 3, comparatives, en laminant à chaud les brames correspondantes, après un réchauffage à 1150 C environ. Le bobinage est effectué à une température de 7100C environ. Les tôles sont ensuite décapées puis laminées à froid avec un taux de réduction de 71%. Le premier recuit est effectué en continu à 850 C. Les tôles subissent alors un écrouissage avec un taux de réduction de 4%. On découpe ensuite des éprouvettes Epstein ayant une épaisseur de 0,65 mm que l'on recuit à 790 C pendant 2 heures sous une atmosphère d'HNx avec un point de rosée de 35 C. On mesure alors les pertes magnétiques totales W1, 5T et l'induction B5000 sur cadre Epstein et l'on obtient les résultats suivants : W1, 5T B5000 (W/kg) (T) Coulée 1 3, 90 1, 69 Coulée 2 4, 45 1, 68 Coulée 3 4, 19 1, 63 La coulée 1 selon l'invention présente à la fois des pertes magnétiques sensiblement réduites et une induction améliorée par rapport aux compositions de l'art antérieur. Ces améliorations proviennent notamment de l'équilibre entre les teneurs en silicium, aluminium, phosphore et étain. Exemple 2-Mesure sur des pièces d'épaisseur 0,50 mm On fabrique des tôles à partir de la coulée 4 conforme à l'invention et de la coulée 2 comparative, en laminant à chaud les brames correspondantes. Le bobinage est effectué à une température de 710 C environ. Les tôles sont ensuite décapées puis laminées à froid avec un taux de réduction de 77%. Le premier recuit est effectué en continu entre 750 et 850 C. Les tôles subissent alors un écrouissage avec un taux de réduction de 4% environ. On découpe ensuite des éprouvettes Epstein ayant une épaisseur de 0,50 mm que l'on recuit à 7900C pendant 2 heures sous une atmosphère d'HNx avec un point de rosée de 35 C. On mesure alors les pertes magnétiques totales W1, 5T et l'induction B5000 sur cadre Epstein et l'on obtient les résultats suivants : W1, 5T B5000 (W/kg) (T) Coûtée 2 3, 95 1, 68 Coulée 4 4, 05 1, 75 On constate que pour un niveau de pertes magnétiques voisins, l'induction obtenue pour la coulée 4 est nettement améliorée. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une tôle d'acier magnétique comprenant : - l'élaboration d'un acier dont la composition comprend, exprimés en % en poids : le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de ladite élaboration, puis la coulée d'une brame, - un laminage à chaud de cette brame pour obtenir une tôle, ledit laminage se terminant à une température comprise entre celle du point Ar3 diminuée de 80 C et celle du point Ar3, - un bobinage de la tôle à une température supérieure à 680 C, - un laminage à froid jusqu'à atteindre une épaisseur de la tôle supérieure à l'épaisseur finale désirée, suivi d'un traitement thermique de la tôle, et - un écrouissage de la tôle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en outre, la température de bobinage est supérieure à 700 C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est un recuit que l'on effectue à une température comprise entre 750 et 850 C. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écrouissage est effectué avec un taux de réduction compris entre 2 et 10%. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en outre en ce que la teneur en étain de l'acier est comprise entre 0,08 et 0,12% en poids. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en outre en ce que la teneur en manganèse de l'acier est comprise entre 0,20 et 0,35% en poids. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en outre en ce que la teneur en aluminium de l'acier est comprise entre 0,10 et 0,30% en poids. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en outre en ce que la teneur en phosphore de l'acier est comprise entre 0,03 et 0,15% en poids. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en outre en ce que la teneur en carbone de l'acier est inférieure à 0, 01% en poids. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en outre en ce que la teneur en silicium de l'acier est comprise entre 1 et 1,50 % en poids. 11. Tôle d'acier obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 12. Pièce en acier magnétique à grains non orientés fabriquée par découpe d'une tôle selon la revendication 11, suivie d'un traitement thermique final. 13. Pièce selon la revendication 12, caractérisée en ce que ledit traitement thermique final est un recuit que l'on effectue à une température comprise entre 750 C et 850 C. 14. Pièce selon la revendication 13, caractérisée en ce que la teneur en carbone de la composition d'acier est inférieure ou égale à 0, 01% en poids et ce que ledit recuit ne comporte pas de maintien en température. 15. Pièce selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisée en ce qu'elle présente pour une épaisseur de 0,50 mm, des pertes magnétiques totales inférieures à 4,50 W/kg et une induction supérieure à 1,70 T lorsqu'on applique un champ de 5000 A/m. 16. Pièce selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisée en ce qu'elle présente pour une épaisseur de 0,65 mm, des pertes magnétiques totales inférieures à 4 W/kg et une induction supérieure à 1,68 T lorsqu'on applique un champ de 5000 A/m.