FR 2051846 A1 19710409 FR 7026428 A 19700717 70 26428 1 2051846 la présente invention concerne un acier qui, sous la forme de produit laminé, convient pour les éléments de bâtiment et les constructions , en particulier ceux soudés et/ou déformés à froid. Quand on utilise un produit laminé, en particulier une tôle ou cj une bande en un acier de haute résistance, pour des éléments de bâtiment et des constructions fabriqués par déformation à froid et/ou soudage du produit laminé, les propriétés suivantes de la matière sont nécessaires ou avantageuses - limite d'élasticité et résistance à la traction élevées; fai-^0 ble tendance au vieillissement ; faible tendance au durcissement loin du soudage par fusion ou soudage autogène ; faible anisotropie des propriétés mécaniques, c'est-à-dire surtout ténacité élevée aussi bien transversalement que perpendiculairement à la direction de laminage et par suite bonne aptitude à la déformation à froid, par .jcj exemple à la déformation autour d'un axe longitudinal par rapport à la direction du laminage ; bonne aptitude au soudage, en particulier pour les sections épaisses. Or, il n'a pas été possible jusqu'à présent d'obtenir simultanément ces propriétés dans la mesure désirée. On sait que ; 2q 10 - une diminution de la teneur en carbone, par exemple au- dessous de 0,1 /o, améliore effectivement la ténacité et la soudabi-lité de l'acier, mais entraîne une diminution de la résistance ; 2° - une augmentation de la teneur en manganèse et/ou en silicium, par exemple jusqu'à ou au-dessus de 1,0 c/o, augmente la résis-25 tance, ne diminue pas sensiblement la ténacité dans la direction principale de laminage, mais diminue'la soudabilité et, du fait du manganèse, nuit notamment à l'anisotropie ; 3° — un ca3.rn.age par l'aluminium diminue la tendance au vieillissement, améliore la résistance et la soudabilité par la formation 30 de grains fins, mais augmente l'anisotropie ; 4° - une addition de zirconium diminue l'anisotropie et la tendance au vieillissement mais diminue ou fait disparaître l'effet de la teneur en aluminium et peut donner un grain grossier à de l'acier calmé par de l'al&minium» 35 On sait en outre que, dans les aciers ferritiaues-perlitiques, une faible addition de niobium comme constituant d'alliage peut conduire à un fort écrouiâsgge sans nuire à la soudabilité. Il est vrai que les valeurs de la ténacité, en particulier aussi bien transversalement que perpendiculairement à la direction principale de lami-40 nage, sont alors réduites. Une addition de niobium a une influence 70 26^28 2 2051846 favorable sur la grosseur de grain et le comportement au vieillissement» l'effet du niobium est il est vrai» lié à une forme et une quantité déterminées des séparations de carbonitrure de niobium.Oet effet n'apparaît en général que lorsque les conditions suivantes 5 sont remplies, à savoir, d'une part,une sursaturation suffisamment grande des cristaux mixtes y ou a en carbone et en azote, d'autre part, l'absence de phases non métalliques dans les cristaux mixtes qui ont la même structure cristalline que le carbonitrure de niobium et dont le constituant métallique a une affinité égale ou supérieure 10 à celle dù niobium pour le carbone et l'azote. De telles phases non métalliques modifiraient le. mécanisme de séparation, la dispersion et l'efficacité des séparations de niobium. . Gomme le zirconium est un générateur de carbure et de nitrure plus fort que le niobium et comme le carbonitrure de zirconium se 15 formant dans l'acier présente la même structure cristalline, à savoir cubique, que le carbonitrure de niobium, on devait s'attendre à ce que, dans un acier allié avec du zirconium, une addition de niobium n'apporte pas les mêmes effets que ceux qu'on pourrait obtenir dans des aciers exempts de zirconium. Cette conclusion s'appli-20 que particulièrement aux aciers très pauvres en carbone, dans lesquels l'offre de carbone pour la formation de nitrocarbure de niobium est encore bien plus faible que dans les aciers pour le bâtiment ayant les teneurs usuelles en carbone. Or,, on a eu la surprise de constater qu'une combinaison convena-25 ble de mesures métallurgiques telles qu'indiquées aux points 1° à 4° ci-dessus conduit» avec une addition de niobium comme constituant d'alliage, au but consistant à produire un acier de haute résistance, de faible vieillissement, de bonne soudabilité et de ténacité élevée avec faible anisotropie. 30 L'objet de l'invention est donc un acier complètement calmé pour produits laminés de haute résistance présentant une limite d'é- p lasticité supérieure à 40 kg/mm , de préférence supérieure à 45 kg/ 2 mm , de faible vieillissement, de bonne déformabilité à froid, bonne soudabilité et devant posséder une anisotropie fortement limitée des 35 propriétés mécaniques longitudinalement, transversalement et perpendiculairement par rapport à la direction principale de laminage, acier qui possède la composition suivante : - carbone 0,02 - 0,15 c/° - manganèse 0,2 - 2 fo 40 - silicium 0,0 - 1 % 70 26428 3 2051846 - niobium et/ou tantale 0,01 - 0,2 fe - zirconium 0,01 — 0,2 f» reste : fer avec les impuretés habituelles. De préférence cet acier contient une au moins des teneurs sui— 5 vantes : - carbone 0,05 - 0,10 a/o - manganèse 0,3 - 1 "p - silicium 0,0 - 0,5 °A L'intervalle préféré pour le niobium/tantale et le zirconium est 10 le suivant ï - niobium et/ou tantale 0,02 - 0,1 fo - zirconium 0,03 - 0,1 $ L'acier peut contenir, en outre, de 0,1 à 1 i» de molybdène. On obtient ainsi en particulier un durcissement structural accru (en 15 combinaison avec la teneur en niobium),. une limite plus élevée d'allongement à chaud et éventuellement une texture d'un état intermédiaire. Pour faire apparaître les combinaisons désirées particulièrement favorables de l'acier, on peut utiliser les traitements thermi-20 que s suivants : -l'acier doit être porté à une température supérieure à 1200°G et être maintenu à cette température pendant au moins 1/2 heure. Il doit ensuite être refroidi avec une vitesse de refroidissement d'au moins l°C/s jusqu'à ce que la zône de température de la ferrite soit 25 atteinte. On provoque ainsi une combinaison particulièrement favorable de résistance et de limite d'élasticité et de ténacité particulièrement élevées. On peut également réaliser ce refroidissement à la vitesse indiquée jusqu'à la zone de température-de la ferrite, en réglant convenablement la température lors de la déformation"à chaud, 30 par exemple pendant le laminage. En observant la vitesse exigée de refroidissement, on doit obtenir une dispersion particulièrement favorable de carbonitrures, de carbures ou de nitrures de niobium et/ ou de tantale. La poursuite du refroidissement a lieu de préférence par un maintien isotherme dans une zone de température comprise en-35 tre 700 et 500 °G pendant une heure ou en franchissant cette zone de température de façon convenablement ralentie. On obtient ainsi évidemment une séparation très poussée des carbonitrures, des carbures ou des nitrures. On peut également réaliser autrement la poursuite du refroidis-40 sement, les valeurs optimales indiquées ci-dessus n'étant pas tout 70 26428 4 2051846 à fait atteintes. C'est ainsi qu'après avoir refroidi l'acier jusqu'à l'amener dans la zone de la ferrite, on peut le refroidir au-dessous de 400°C puis le soumettre à un bref recuit normal de moins de 30 minutes. Les valeurs de la résistance de l'acier sont alors 5 un peu inférieures, mais les valeurs de la ténacité sont d'autant supérieures. On utilise de préférence cette mesure lorsqu'il faut effectuer un recuit normal en raison des conditions d'exploitation ou de prescriptions liées à la matière. Lorsque,pour des raisons d'exploitation, un traitement thermique délibéré n'est pas possible, 10 on peut remplacer les mesures ci-dessus par un refroidissement de l'acier dans la zone de la ferrite, même à n'importe quelle vitesse. Les phénomènes de séparation provoqués par le niobium et/ou le tantale apparaissent ici aussi jusqu'à un certain point. Exemple : en partant d'aciers fondus au convertisseur avec soufflage 15 d'oxygène, on a produit, dans des conditions analogues, sur un train de laminage continu à larges bandes, des bandes dans la composition chimique desquelles on peut reconnaître l'effet du zirconium et du niobium sur les propriétés mécaniques. Tableau 1 : composition chimique/indications en Acier 1 2 3 4 5 c 0,08 0,08 0,08 0,10 0,08 Si 0,40 0,40 0,35 0,20 . 0,40 Mh 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 P 0,016 0,016 0,010 ' 0,020 0,010 S 0,016 0,016 0,022 0,016 0,022 Al 0,08 0,08 0,05 0,07 0,05 N 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 Nb 0,04 0,03 0,03 Zr 0,06 0,08 Tableau 2 - Propriétés mécaniques à l'état de laminage à chaud * ^ Acier 1 2 3 4 5 ° PO ON 4> INÛ CO 2 Résistance à la traction en kg/mm 45,5 58,2 54,2 45,0 54,6 Limite d'allongement kg/mm^ 31,5 47,5 45,3 28,6 46,0 Allongement de rupture en c/° 33,5 23,3 29,0 32,0 29,5 Striction en °/o 58 53 55 61 68 Rapport transversal, longitudinal de la résilience , à 0°G, en $ 26 21 31 75 78 Résilience transversale en kgm/cm^ 6,5 5,5 6,5 14,5 15,0 Température en °G de passage à ,1a rupture cassante -80 -80 -80 -80 -80 * Valeurs des essais de traction sur éprouvettes transversales Essais de résilience par choc sur des barreaux DVM entaillés VJl rv> o un h-i oo on 70 26428 6 2051846 Il apparaît des valeurs numériques pour les aciers 1, 2 et 3 que» même pour une teneur très faible en carbone, une addition de niobium produit un fort écrouissage : 0,04 $ de niobium augmente de 16 kg/mm la limite d'élasticité. Il est vrai qu'en même temps les valeurs caractéristiques de la déformation sont réduites : l'allongement de rupture, la striction et la résilience diminuent. Pour un produit laminé destiné à être déformé à froid,aussi bien transversalement que perpendiculairement à la direction principale de la déformation ou servir pour des constructions soudées, l'anisotropie pro-noncée de la ténacité en particulier, qui s'exprime dans le faible rapport transversal/ longitudinal de la résilience, s'exerce défavorablement. Les indications pour l'acier 4 montrent qu'une addition de zirconium à un acier qui, par ailleurs, n'est pas allié,améliore de .jtj façon décisive la ténacité. Oelà est prouvé en particulier par les valeurs de la résilience transversale et du rapport transversal/longitudinal de la résilience. Mais la résistance à la traction et la limite d'élasticité de cet acier sont très faibles. Or, malgré les données défavorables, exposées plus haut, de 20 l'utilisation simultanée du niobium et du zirconium, la combinaison d'une addition de niobium et de zirconium provoque de façon surprenante, ainsi que le montre, sans ambiguïté, l'acier 5, à la fois une forte consolidation et une diminution décisive de l'anisotropie.Une réduction ou une suppression, à laquelle on devait s'attendre, de 25 11 effet de l'addition de niobium ne s'est pas produite. On n'a pas encore réussi jusqu'à présent ^produire des aciers à l'état laminé ayant une aussi grande ténacité transversalement à la direction principale de déformation tout en ayant une limite d'élasticité et une résistance à la traction très élevées. 30 Gomme on sait que l'anisotropie déterminée entre les éprouvet- tes longitudinales et les éprouvettes transversales» des propriétés mécaniques apparaît dans une mesure encore plus forte que l'anisotropie entre les éprouvettes longitudinales et les éprouvettes perpendiculaires (perpendiculaires à la surface supérieure du produit 35 laminé, c'est-à-dire prises dans la direction de l'épaisseur), il en résulte pour les asiers, tels que l'acier 5 indiqué à titre d'exemple, également une très forte diminution de l'anisotropie longitudinale/perpendiculaire et, par suite, une amélioration correspondante de la ténacité et de la capacité de charge dans la direction de l'épaisseur également. C'est ainsi que, pour une tôle épaisse et 70 26k28 7 2051846 grossière, l'acier 5 n'a présenté, aucune anisotropie de la résilience entre éprouvettes transversales et éprouvettes perpendiculaires» Cette amélioration est très importante, en particulier pour des constructions soudées dans lesquelles le produit laminé soudé 5 est sollicité en direction de l'épaisseur, comme par exemple dans les joints croisés. Gomme les effets de l'aluminium non lié à l'oxygène qui s'exercent dans les aciers ordinaires, à savoir la libération de l'azote et une plus grande finesse du grain, n'apparaissent plus ici ou n'ap-10 paraissent plus que faiblement, on peut renoncer à la teneur en aluminium. Les propriétés caractéristiques des aciers usuels à grain fin calmés par l'aluminium, à savoir la stabilité au vieillissement et la finesse des grains de ferrite, sont assurées par l'effet commun du zirconium et du niobium. Un calmage de l'acier au moyen d'a-15 luminium n'est donc plus nécessaire pour obtenir les propriétés désirées de l'acier. Celui-ci peut aussi être calmé au moyen de silicium. Mais, du point de vue de l'utilisation des métaux d'alliage, à ajouter, en particulier du zirconium, il est préférable d'éliminer l'oxygène contenu dans la matière fondue par un agent désoxydant 20 aussi fort que l'aluminium. C'est ainsi qu'on peut, avec les avantages indiqués, désoxyder les aciers avec du titanium ou du calcium également. Du fait des propriétés favorables du matériau constitué par l'acier proposé, à savoir limite d'élasticité et résistance à la trac-25 tion élevées,grande ténacité, faible tendance au vieillissement,faible anisotropie, bonne soudabilité, "bonne capacité de déformation à froid, en particulier autour d'un axe longitudinalement à la direction principale de laminage, ce matériau peut avoir les applications suivantes parmi d'autres : grandes conduites tubulaires soudées,ré-30 cipients sous pression soudés, récipients convertisseurs, constructions soudées au-dessus du sol et ponts, bateaux, éléments de bâtiments et de construction déformés à froid, par exemple pour la construction de véhicules. L'utilisation de l'acier est en particulier indiqué lorsque, 35 par suite de l'épaisseur de la paroi et/ou de l'application d'une force,apparaissent des états de contrainte à plusieurs axes. 70 26428 8 2051846 10 a £ 7 E I D I 0 A g 1 0 II S 1 - Acier complètement calmé pour produits laminés de hauts résistance, présentant une limite d'élasticité supérieure à 40 kg/mu?, Q de préférence supérieure à 45 kg/mm , de faible vieillissement, de "bonne déformabilité à froid, "bonne soudabilité, et devait posséder une anisotropie fortement limitée des propriétés mécaniques longitu-dinalement, transversalement et perpendiculairement par rapport à la direction principale de laminage, cet acier étant caractérisé en ce qu'il contient : - carbone 0,02 - 0,15 ^ - manganèse 0,2 - 2 fo - silicium 0,0 - 1 f> - niobium et/ou tantale 0,01 - 0,2 % - zirconium 0,01 - 0,2 fo le reste étant du fer avec les impuretés habituelles, t2 - Acier suivant la revendication 1, caractérisé en ce au'il 15 - contient de 0,05 à 0,10 fo de carbone. 3 - Acier suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il contient entre 0,3 et 1 fo de manganèse. 4 — Acier suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé 2q en ce qu'il contient entre 0,0 et 0,5 f> de silicium. 5 - Acier suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient entre 0,02 et 0,1$ de nîobittffl '§t/ou de "tantale et entre 0,03 et 0,1 fo de zirconium. 6 - Acier suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il contient entre 0,1 et 1 f> de molybdène. 7 - Acier suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par les basses teneurs usuelles en oxygène subsistant après le calmage complet et par les restes des agents désozydants, alumi-nium, titane, calcium ou alliages contenant ces métaux, utilisés pour l'obtention de ces basses teneurs en oxygène. 8 - Procédé pour le traitement thermique d'un acier suivant jCâri'S'C'tëX'i.s p l'une des revendications 1 à 7/en ce que l'on porte l'acier à une température supérieure à 1200°0 et on l'y maintient pendant au moins 1/2 heure, on le refroidit à une vitesse de refroidissement d'au moins 1°0 par seconde jusqu'à ce que la zone de température de la ferrite, soit atteinte^ on maintient isothermiquement l'acier dans une 70 26428 9 2051846 zone de température comprise entre 700 et 500°0 pendant environ une heure ou bien on le refroidit de façon ralentie ; ou bien encore on le refroidit au-dessous de 400°C, puis on le soumet à un bref recuit normal d'une durée inférieure à 30 minutes ; ou encore 5 on continue à. le refroidir à n'importe quelle vitesse»