Brevet FR2847270A1 — publié le 20040521

i 2847270 PROCEDE POUR FABRIQUER UNE TOLE EN ACIER RESISTANT A L'ABRASION ET TÈLE OBTENUE La présente invention est relative à un acier résistant à l'abrasion et à son procédé de fabrication. Les aciers résistant à l'abrasion sont bien connus et sont, en général, des aciers de dureté élevée (comprise entre 400 et 500 Brinell) ayant une structure martensitique, et contenant de 0,12% à 0,3% de carbone. Il est en général admis que pour augmenter la résistance à l'usure il suffit d'augmenter la dureté, mais cela se fait au détriment d'autres propriétés telles que l'aptitude au soudage ou à la mise en forme par pliage, par exemple. Aussi, afin d'obtenir des aciers ayant tout à la fois une très bonne résistance à l'usure et une bonne aptitude à la mise en oeuvre, on a 1 5 recherché d'autres moyens que l'augmentation de dureté. C'est ainsi qu'on a proposé dans EP 0527 276 et dans US 5,393,358 d'améliorer la résistance à l'abrasion d'un acier contenant de 0,05% à 0, 45% de carbone, jusqu'à 1% de silicium, jusqu'à 2% de manganèse, jusqu'à 2% de cuivre, jusqu'à 10% de nickel, jusqu'à 3% de chrome, jusqu'à 3% de molybdène, du bore, du niobium et du vanadium, en ajoutant de 0,015% à 1, 5% de titane, de façon à former de gros carbures de titane. Cet acier est trempé et comporte de ce fait une structure martensitique, l'augmentation de résistance à l'abrasion étant obtenue par la présence de gros carbures de titane. Mais, plus particulièrement lorsque l'acier est coulé en lingots, cette amélioration est limitée car, sous l'effet des sollicitations abrasives, les carbures se déchaussent et ne remplissent plus leur rôle. En outre, dans ces aciers, la présence de gros carbures de titane détériore la ductilité. Il en résulte que les tôles fabriquées avec ces aciers sont difficiles à planer et à plier, ce qui limite leurs utilisations possibles. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients, en proposant une tôle en acier résistant à l'abrasion ayant une bonne planéité et qui, toutes choses égales par ailleurs, présente une résistance à l'abrasion, meilleure que celle des aciers connus. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour fabriquer une pièce, et notamment une tôle, en acier pour abrasion dont la composition chimique comprend, en poids: 0,35% 0% 0% 0,35% 0% 0,1% 0% 0% 0% N - éventuellement au moins un élément pris parmi Nb, Ta et V en des teneurs telles que Nb/2 + Ta/4 + V 0,10% et: Ti + Zr/2 - 7xN/2 > 0,05% et: 1,05xMn + 0,54xNi +0,5OxCr + 0,3x(Mo + W/2)112 + K > 1,8 ou mieux 2 avec: K = 0,5 si B > 0,0005% et K = 0 si B un planage. Eventuellement, la trempe peut être suivie d'un revenu à une température inférieure à 3500C, et de préférence inférieure à 2500C. L'invention concerne également une pièce, et notamment une tôle obtenue notamment par ce procédé, l'acier ayant une structure constituée de 5% à 20% d'austénite retenue, le reste de la structure étant martensitique ou martensitobainitique avec des carbures. Lorsque la pièce est une tôle, son épaisseur peut être comprise entre 2 mm et 150 mm et sa planéité peut être caractérisée par une flèche inférieure ou égale à 12 mm/m, et de préférence inférieure à 5 mm/m. Lorsque la teneur en carbone est telle que: 0,1 % la dureté est, de préférence, comprise entre 280 HB et 450 HB. Lorsque la teneur en carbone est telle que: 0,2% la dureté est, de préférence, comprise entre 380 HB et 550 HB. Lorsque la teneur en carbone est telle que: 0,3% la dureté est, de préférence, comprise entre 450 HB et 650 HB. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative et être illustrée par des exemples. Pour fabriquer une tôle selon l'invention, on élabore un acier dont la composition chimique comprend, en % en poids: 4 2847270 - de 0,35% à 0,8% de carbone, et de préférence, plus de 0,45%, voire plus de 0,5%, et de 0% à 2% de titane, de 0% à 4% de zirconium, ces teneurs devant êtres telles que: 0,05% doit rester inférieure à 2%, et de préférence inférieure ou égale à 0,9%, car audelà, la ténacité et l'aptitude à la mise en oeuvre sont détériorées. - De 0% (ou des traces) à 2% de silicium et de 0% (ou des traces) à 2% d'aluminium, la somme Si+AI étant comprise entre 0,35% et 2% et de préférence supérieure à 0,5%, et mieux encore, supérieure à 0,7%. Ces éléments, qui sont des désoxydants, ont en outre pour effet de favoriser l'obtention d'une austénite retenue métastable fortement chargée en carbone dont la transformation en martensite s'accompagne d'un gonflement important favorisant l'ancrage des carbures de titane. - De 0% (ou des traces) à 2% ou même 2,5% de manganèse, de 0% (ou des traces) à 4% ou même 5% de nickel et de 0% (ou des traces) à 4% ou même 5% de chrome, pour obtenir une trempabilité suffisante et ajuster les différentes caractéristiques mécaniques ou d'emploi. Le nickel a, en particulier un effet favorable sur la ténacité, mais cet élément est cher. Le chrome forme également de fins carbures dans la martensite ou la bainite. - De 0% (ou des traces) à 0,50% de molybdène. Cet élément augmente la trempabilité et forme dans la martensite ou dans la bainite de fins carbures durcissants notamment par précipitation par auto revenu au cours du refroidissement. Il n'est pas nécessaire de dépasser une teneur de 0, 50% pour obtenir l'effet désiré en particulier en ce qui concerne la précipitation de carbures durcissants. Le molybdène peut être remplacé, en tout ou partie, par un poids double de tungstène. Néanmoins cette substitution n'est pas recherchée en pratique car elle n'offre pas d'avantage par rapport au molybdène et est plus coteuse. - Eventuellement de 0% à 1,5% de cuivre. Cet élément peut apporter un durcissement supplémentaire sans détériorer la soudabilité. Au-delà de 1, 5%, il _N"iy A 2847270 n'a plus d'effet significatif, il engendre des difficultés de laminage à chaud et cote inutilement cher. - De 0% à 0,02% de bore. Cet élément peut être ajouté de façon optionnelle afin d'augmenter la trempabilité. Pour que cet effet soit obtenu, la teneur en bore doit, de préférence, être supérieure à 0,0005% ou mieux 0,001%, et n'a pas besoin de dépasser sensiblement 0,01 %. - Jusqu'à 0,15% de soufre. Cet élément est un résiduel en général limité à 0,005% ou moins, mais sa teneur peut être volontairement augmentée pour améliorer l'usinabilité. A noter qu'en présence de soufre, pour éviter des difficultés de transformation à chaud, la teneur en manganèse doit être supérieure à 7 fois la teneur en soufre. - Eventuellement au moins un élément pris parmi le niobium, le tantale et le vanadium, en des teneurs telles que Nb/2+Ta/4+V reste inférieure à 0, 5% afin de former des carbures relativement gros qui améliorent la tenue à l'abrasion. Mais les carbures formés par ces éléments sont moins efficaces que ceux qui sont formés par le titane ou le zirconium, c'est pour cela qu'ils sont optionnels et ajoutés en quantité limitée. - Eventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le sélénium, le tellure, le calcium, le bismuth et le plomb en des teneurs inférieures à 0,1% chacun. Ces éléments sont destinés à améliorer l'usinabilité. A noter que, lorsque l'acier contient du Se et/ou du Te, la teneur en manganèse doit être suffisante compte tenu de la teneur en soufre pour qu'il puisse se former des séléniures ou des tellurures de manganèse. - Le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Parmi les impuretés, il y a en particulier l'azote dont la teneur dépend du procédé d'élaboration mais ne dépasse en général pas 0,03%. Cet élément peut réagir avec le titane ou le zirconium pour former des nitrures qui ne doivent pas être trop gros pour ne pas détériorer la ténacité. Afin d'éviter la formation de gros nitrures, le titane et le zirconium peuvent être ajoutés dans l'acier liquide de façon très progressive, par exemple en mettant au contact de l'acier liquide oxydé une phase oxydée telle qu'un laitier chargé en oxydes de titane ou de zirconium, puis en désoxydant l'acier liquide, de façon à faire diffuser lentement le titane ou le zirconium depuis la phase oxydée vers l'acier liquide. En outre, afin d'obtenir des propriétés satisfaisantes, les teneurs en carbone, titane, zirconium, et azote doivent être telles que: 0,1% l'aptitude à la mise en oeuvre sont trop détériorées. De plus, la composition chimique doit être choisie de telle sorte que la trempabilité de l'acier soit suffisante, compte tenu de l'épaisseur de la tôle qu'on souhaite fabriquer. Pour cela, la composition chimique doit satisfaire la relation: Tremp =1,05xMn + 0,54xNi +0,5OxCr + 0,3x(Mo + W/2) 112 + K > 1,8 ou mieux 2 avec: K = 0,5 si B >ou égal 0,0005% et K = 0 si B formation d'austénite retenue. En outre, les teneurs en Ti, Zr et N doivent, de préférence, être telles que: Ti + Zr/2 - 7xN/2 > 0,05%, et mieux supérieure à 0,1%, et mieux encore, supérieure à 0,3% pour que la teneur en carbures soit suffisante. Enfin, et pour obtenir une bonne tenue à l'abrasion, la structure micrographique de l'acier est constituée de martensite ou de bainite ou d'un mélange de ces deux structures, et de 5% à 20% d'austénite retenue. Cette structure comprenant en outre des gros carbures de titane ou de zirconium, voire des carbures de niobium, de tantale ou de vanadium, formés à haute température. Les inventeurs ont constaté que l'efficacité des gros carbures pour l'amélioration de la tenue à l'abrasion pouvait être obérée par le déchaussement prématuré de ceux-ci et que ce déchaussement pouvait être évité par la présence d'austénite métastable qui se transforme en martensite fraîche sous l'effet des phénomènes d'abrasion. La transformation de l'austénite métastable en martensite fraîche se faisant par gonflement, cette transformation dans la souscouche abrasée augmente la résistance au déchaussement des carbures et, ainsi, améliore la résistance à l'abrasion. 7 2847270 D'autre part, la dureté élevée de l'acier et la présence de carbures de titane fragilisant imposent de limiter autant que possible les opérations de planage. De ce point de vue, les inventeurs ont constaté qu'en ralentissant de façon suffisante le refroidissement dans le domaine de transformation bainito-martensitique, on réduit les déformations résiduelles des produits, ce qui permet de limiter les opérations de planage. Les inventeurs ont constaté qu'en refroidissant la pièce ou la tôle à une vitesse de refroidissement Vr résiduelles engendrées par les changements de phase. Pour fabriquer une tôle ayant une bonne résistance à l'abrasion et bien plane, on élabore l'acier, on le coule sous forme de brame ou de lingot. On lamine à chaud la brame ou le lingot pour obtenir une tôle qu'on soumet à un traitement thermique permettant tout à la fois d'obtenir la structure souhaitée et une bonne planéité sans planage ultérieur ou avec un planage limité. Le traitement thermique peut être effectué directement dans la chaude de laminage ou réalisé ultérieurement, éventuellement après un planage à froid ou à mi-chaud. Pour réaliser le traitement thermique: - on chauffe l'acier au-dessus du point AC3 de façon à lui conférer une structure entièrement austénitique, - puis on le refroidit à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure à la vitesse critique de transformation bainitique jusqu'à une température égale ou légèrement inférieure (de moins de 50'C environ) à une température T = 800 270xC* - 9OxMn -37xNi - 7OXCr - 83x(Mo + W/2), (exprimée en OC), - puis, entre la température ainsi définie (c'est à dire comprise entre T et T - 500C environ) et 1000C environ, on refroidit la tôle à une vitesse de refroidissement moyenne à coeur Vr comprise entre 0,1 C/s, pour obtenir une dureté suffisante, et 11 50xep-1 7, pour obtenir la structure souhaitée, - et on refroidit la tôle jusqu à la température ambiante, de préférence, sans que ce soit obligatoire, à une vitesse lente. En outre, on peut effectuer un traitement de détente à une température inférieure ou égale à 350 C, et de préférence inférieure ou égale à 2500C. On obtient ainsi une tôle, dont l'épaisseur peut être comprise entre 2 mm et 150 mm, ayant une excellente planéité caractérisée par une flèche inférieure à 12 mm par mètre sans planage ou avec un planage modéré. La tôle a une dureté comprise entre 280HB et 650HB. Cette dureté dépend principalement de la teneur en carbone libre C* = C - Ti/4 - Zr/8 + 7xN/8. En fonction des teneurs en carbone libre C*, on peut définir plusieurs domaine correspondant à des niveaux de dureté croissant, et en particulier: a) 0,1 % c) 0,3% La dureté étant fonction de la teneur en carbone libre C*, la même dureté peut être obtenue avec des teneurs en titane ou zirconium très différentes. A dureté égale, la résistance à l'abrasion est d'autant plus élevée que la teneur en titane ou zirconium est importante. De même, à teneur en titane ou zirconium égale, la résistance à l'abrasion est d'autant meilleure que la dureté est élevée. De plus, la mise en oeuvre de l'acier est d'autant plus facile que la teneur en carbone libre est faible, mais à teneur en carbone libre égale, la ductilité est d'autant meilleure que la teneur en titane est faible. L'ensemble de ces considérations permet de choisir les teneurs en carbone et titane ou zirconium qui conduisent à l'ensemble des propriétés les mieux adaptées à chaque domaine d'application. Selon les niveaux de dureté, les utilisations sont par exemple - 280 à 450 HB: godets, bennes de camions et de dumpers, blindages de cyclones, trémies, moules à parpaings, - 380 à 550 HB: blindages de broyeurs à percussion, lame d'attaque de bulldozer, lames de benne preneuse, grilles de cribles, - 450 à 650 HB: plaques de blindage de broyeur à cylindres, renforts de godets, renforts sous lame d'attaque, bouclier de lame éperon, bord d'attaque. A titre d'exemple, on considère des tôles en aciers repérés A à G selon l'invention et H à J selon l'art antérieur. Les compositions chimiques des aciers, exprimés en 10-3 % en poids, ainsi que la dureté, la teneur en austénite résiduelle de la structure et un indice de résistance à l'usure Rus, sont reportées au tableau 1. Tableau 1 C Si AI Mn Ni Cr Mo W TiB N HB % aust Rus A 360 850 50 1300 500 700 100 500 400 2 6 460 10 1,42 B 640 850 50 400 1500 700 110 450 620 3 7 555 14 2,72 C 590 520 570 550 320 1850 470 - 540 - 7 570 12 2,24 D 705 460 630 1090 280 2450 430 100 825 - 7 580 13 3,14 E 690 370 25 740 310 2100 460 - 795 - 6 605 10 2,83 F 350 810 30 1200 270 1350 380 160 2 6 510 8 1,32 G 390 790 35 1210 250 1340 390 405 3 6 495 11 1,77 H340 380 30 1260 470 820 370 - 410 3 6 475f 1 0,86 I 315 30 25 12301 180 11360 395 165 256 515 2 10,07 Ej 3671 315 30 |1215 |210 |11375 1405 | 430 | 2 |5 |500 | 2 |1,01 L'indice de résistance à l'usure Rus varie comme le logarithme de l'inverse de la perte de poids d'une éprouvette prismatique mise en rotation dans un bac contenant des granulats calibrés de quartzite. Toutes les tôles ont une épaisseur de 30 mm, et les tôles correspondant aux aciers A à G ont été trempées conformément à l'invention, après austénitisation à 9000C. A près austénitisation, les conditions de refroidissement sont: - pour les tôles en acier B et D: refroidissement à une vitesse moyenne de 0, 70C/s au-dessus de la température T définie plus haut, et à une vitesse moyenne de 0,130C/s en dessous, conformément à l'invention; - pour les tôles en acier A, C, E, F, G: refroidissement à une vitesse moyenne de 60C/s au-dessus de la température T définie plus haut, et à une vitesse moyenne de 1,40C/s en dessous, conformément à l'invention; - pour les tôles en acier H, 1, J, données à titre de comparaison: austénitisation 9000C suivie de refroidissement à une vitesse moyenne de 200C/s au dessus de la température T définie plus haut, et à une vitesse moyenne de 120C/s en dessous. Les tôles selon l'invention ont une structure martensito-bainitique contenant de % à 20% d'austénite retenue, alors que les tôles données à titre de comparaison ont une structure entièrement martensitique, c'est à dire, martensitique et ne contenant pas plus de 2 ou 3% d'austénite retenue. Toutes les tôles contiennent des carbures. t/, -i-, v e..j.@,.. La comparaison des résistances à l'usure, montre que, à dureté et teneur en titane voisines, les tôles conformes à l'invention ont un coefficient Rus en moyenne supérieur de 0,5 à celui des tôles selon l'art antérieur. En particulier, la comparaison des exemples A et H qui diffèrent essentiellement par la structure (teneur en austénite résiduelle de 10% pour A, structure entièrement martensitique pour H) montre l'incidence de la présence d'austénite résiduelle dans la structure. Il est à noter que la différence de teneur en austénite résiduelle résulte à la fois de la différence entre les traitements thermiques et de la différence entre les teneurs en silicium. On peut en outre observer que, toutes choses sensiblement égales par ailleurs, la contribution à la résistance à l'usure attribuable aux carbures de titane est significativement plus élevée quand leur présence est combinée avec celle d'austénite résiduelle, conformément à l'invention, que lorsque ces carbures sont précipités au sein d'une matrice essentiellement dépourvue d'austénite résiduelle. Ainsi pour des écarts similaires de teneurs en titane (et donc en TiC, le carbone étant toujours en excès), le couple d'aciers F,G (selon l'invention) se différencie nettement du couple d'aciers l,J, en terme de gain de tenue apporté par le titane. Pour F,G, le gain de résistance Rus apporté par 0,245% de Ti est de 0,46, alors qu'il n'est que de 0,31 pour un écart de 0,265% de Ti dans le cas du couple l,J. Cette observation est attribuable à l'effet de sertissage accru des carbures de titane par la matrice environnante, quand celle-ci contient de l'austénite résiduelle susceptible de se transformer en martensite dure avec gonflement sous l'effet des sollicitations abrasives. Par ailleurs, la déformation après refroidissement, sans planage, pour les tôles en acier selon l'invention est inférieure à 10mm/m, et est d'environ 15mm/m pour la tôle en acier H. Il en résulte en pratique, soit la possibilité de livrer les produits sans planage, soit l'exécution d'un planage pour satisfaire une exigence de planéité plus sévère (par exemple 5mm/m) mais réalisée plus facilement et en introduisant moins de contraintes du fait de la déformation originelle moindre des produits selon l'invention. il 2847270 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour fabriquer une pièce, et par exemple une tôle, en acier résistant à l'abrasion dont la composition chimique comprend, en poids: 0,35% 0% 0% 0,35% 0% 0,1% 0% 0% 0% N - éventuellement de 0% à 1,5% de cuivre, - éventuellement au moins un élément pris parmi Nb, Ta et V en des teneurs telles que Nb/2 + Ta/4 + V 0,05% et: 1,05xMn + 0,54xNi +0, 5OxCr + 0,3x(Mo + W/2)1'2 + K > 1,8 avec K = 0,5 si B > 0,0005% et K = O si B 12 2847270 selon lequel on soumet la tôle à un traitement thermique de trempe, effectué dans la chaude de mise en forme à chaud et par exemple de laminage ou après austénitisation par réchauffage dans un four, pour réaliser la trempe: - on refroidit la pièce ou la tôle à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure à 0,50C/s entre une température supérieure à AC3 et une température comprise entre T = 800 - 270xC* 9OxMn -37xNi - 7OXCr - 83x(Mo + W/2), avec C* = C - Ti/4 - Zr/8 + 7xN/8, et T-500C, - puis on refroidit la pièce ou la tôle à une vitesse de refroidissement à coeur Vr éventuellement, un planage. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que: 1,05xMn + 0, 54xNi +0,5OxCr + 0,3x(Mo + W/2)112 + K > 2 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que: C > 0,45% 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que: Si + AI > 0,5% - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que: Ti + Zr/2 >0,10% 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que: Ti + Zr/2 > 0,30% 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que: C* > 0,22% 13 2847270 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, en outre, on effectue un revenu à une température inférieure ou égale à 3500C. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que pour ajouter le titane dans l'acier, on met l'acier liquide au contact d'un laitier contenant du titane et on fait diffuser lentement le titane du laitier dans l'acier liquide. - Pièce, et notamment tôle, en acier résistant à l'abrasion dont la composition chimique comprend, en poids: 0,35% 0% 0% 0,35% 0% 0,1% 0% 0% 0% N - éventuellement de 0% à 1,5% de cuivre, - éventuellement au moins un élément pris parmi Nb, Ta et V en des teneurs telles que Nb/2 + Ta/4 + V 0,05 % et: 1,05xMn + 0,54xNi +0,5OxCr + 0, 3x(Mo + W/2)12 + K > 1,8 avec: K =0,5 si B > 0,0005% et K = O si B outre de 5% à 20% d'austénite retenue et des carbures. 11 - Pièce selon la revendication 10, caractérisée en ce que: 1,05xMn + 0, 54xNi +0,5OxCr + 0,3x(Mo + W/2)1/2 + K > 2 12 - Pièce selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que: C > 0,45% 13 - Pièce selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que: Si+ AI> 0,5% 14 - Pièce selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que: Ti + Zr/2 > 0,10% - Pièce selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée que: en ce Ti + Zr/2 > 0,30% 16 - Pièce selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisée en ce que: C* > 0,22% 17 - Pièce selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisée en ce qu'elle est une tôle d'épaisseur comprise entre 2 mm et 150 mm et dont la planéité est caractérisée par une flèche inférieure à 12mm/m. z, i, -, 1. -- z ': - ,, ..:; ,: - --, e.. 11 18 - Pièce selon l'une quelconque de revendications 10 à 17, caractérisée en ce que la dureté est comprise entre 280 HB et 450 HB et: 0,1% 19 - Pièce selon l'une quelconque de revendications 10 à 17, caractérisée en ce que la dureté est comprise entre 380 HB et 550 HB et: 0,2% 20 - Pièce selon l'une quelconque de revendications 10 à 17, caractérisée en ce que la dureté est comprise entre 450 HB et 650 HB et: 0,3%