FR 2567151 A1 19860110 FR 8411050 A 19840704 PROCEDE DE IFABRICATION DE BARRES OU. DE FIL MACH!NE EN ACIER IN.OXYDABLE MARTENSITIQUE ET PRODUITS CORRESPONDANTS Le procédé de la présente invention concerne une mé;hode de fabrication de barres ou de fil machine en acier inoxydable. ETAT DE LA TECHNIQUE CONNU Les ac'ers in.oxydables martensitiques usueis présentant une bonne résistance mécanique correspondent aux appellations selon la norme NF A 35-575: 712C.3" -"Z20C13" - "Z30C13", avec globalement C 0,08 à 0,34 % et Cr 11,5 à 14.0 %. Ce sont des aciers martensitiques, c'est-à-dire ayant une structure à prédominance de martensite. Après iam.nrage à chaud et refro-'dissement, ils sont durs et fragiles, et pour leur conférer une bonne résistance mécanique, on leur applique un traitement de trempe, puis un revenu, tels que - chauffage à 950 à 1050 C - trempe à!'hu-le - revenu entre 550 et 650 C Jt on aboutit aux car'c4téristiquet, typiques suivantes R - 900 à 1100 MPa - E 0,2 = 650 à 850 MPa - A 12 à 16 % et résilience KCU - 20 à 60 J/cm2, Cette résilience qui rend en partie compte de la ténacité est médiocre, et on ne peut l'améliorer en restant dans le domaine des aciers inoxydablies qu'en 30. recourant à des aciers plus couteux tels que "Z6CND 16-04" (norme NF A 581) et "Z6CXU 17-04-01" {norme NF A 35-574), qui à l'état trempé-revenu donnent des caractristiques (R, E, A) du mame niveau que ies précédentes avec une résiiience KCU amériorée 80 à 140 J/cm2. EXPOSE DU PROBLEME On a cherché à obtenir des barres à environ 13 % Cr ayant des caractéristiques mécaniques du même niveau que celles des aciers inoxydables plus coûteux 'Z6CND 16-04' et "Z6CNU 17-04-01"'. en simplifiant ou en évitant le traitement thermique de trempe + revenu. On a ainsi recherché à obtenir des barres martensitiques en acier inoxydable à environ 13 % Cr possédant tout à la fois une bonne résistance mécanique, une bonne ductilité, et de façon nouvelle une bonne résilience, avec des conditions de fabrication économiques. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention consiste en une sélection de composition et en la fixation de conditions de laminage à chaud qui conduisent de façon surprenante aux niveaux de propriétés recherchées dans l'état brut de laminage à chaud. Les conditions de composition et les conditions de laminage sont les unes et les autres nécessaires pour l'obtention de ces propriétés. Les examens métallurgiques effectués permettent de donner des indications qualitatives sur les effets de ces conditions, effets qui paraissent complexes, et d'indiquer des limites pratiques pour les conditions du procédé de l'invention et les caractéristiques des produits correspondants. Les aciers inoxydables et semi-inoxydables de l'invention ont les compositions suivantes (% en poids), les intervalles préférentiels indiqués pouvant 6tre pris séparément ou en combinaison quelconque: - C 0,015 à 0,090 % et de préférence 0,030 à 0,060 % - N - 0,015 à 0,080 % et de préférence 0,020 à 0,050 % avec C + N - 0,05 à 0,120 % et de préférence C + N - 0,050 à 0,100% - Cr - 9,0 à 14,0 % et de préférence 11, 0 à 14,0 % et de préférence encore 11,5 à 13,5 % -Nb 0,1 % - V - S. 0,35 % avec 3 intervalles préférentiels S 0,03 % caractéristiques optimales S - 0,03 à 0,08 % caractéristiques mnécaniques peu mod:'iées, usina..D.té améi'orée 0,08 P 4 0,040 % - Cu - - autres e1ieents et Fe 'e so-de. Les "autres éléments" sont dans les teneurs habituelles à une élaboration en aciérie électrique à partir de ferrailles, leur total est habituellement in.férieur à 0,5 %. En particulier, la teneur en AI résiduel est inférieure à 0.1 % auste=ent de la teneur totale "C 4- N" est un point essentiel de l'invention elle permet d'élever la résistance mécanique (R, E 0.2) du produit obtenu et de conserver une bonne rési'ience (KCU). Un exermple m.ontrera l'r"luence téfaste sur la résilience d'un "C N" trop élevé. Lorsque i'acier est charagé en S, gt spéccaiemeet 'orsque sa teneur en S est compr'se entre 0,08 et 0,30 %, le procédé de l'invention permet d'obtenir des barres brutes dée lamnage a chaud ou du fi machnaC e qui ont encore des caractéristiaues mécaniques très Intéressanes. Avec une usinabil' t améliorée, ces produits on': er. offet des poprié6és mécaniques (R, E) d'un très bnn niveau avec une résilience d'autant plus faibie que la teneur en S est élevée, mais globalement supérieure à 40 J/cm2. Des additions éventuelles Nb surtout de la limite élastique à 0,2 % "E 0.2". - Une add;'ition de nickel pet êt. faite si i8 coeu n.'en est pas jugé excessif, principalement pour améiiorer la 'résilience. Une tetlle addition tend à diminuer :a proportion de ferrite dans ia structure.arte.stefer te. Les condiions ce *r.'na,-ge nécessaúres pour obte... ies caractéristiques mecan:ques des barres ou fi5s machine se'on 'invention sont les suivantes: après.e déàrossissae à chaud éventuei du produit, suii ou non d'un Z6?151 refroidissement, le produit doit être porte à température comprise entre 1050'C et 1160'C avant de subir le laminage à chaud final, cette mise préalable à tempé.rature étant obtenue soit par un préchauffage ou réchauffage, soit par des conditions de dégrossissage entralnant.cette température lors de l'arrivée du pr-oduit au laminage final. Le lam.nage à chaud final du produit ainsi porté enZre:U50 et '160'C est alors effectué en pratique. à température inférieure ou égale à 1150'C (le produit se refroidit de 10'C ou plus lors de l'engagement de ce lami-age>. et i.i rodu.re un.e rédue.'on de sec,.on "S/s". o 'S" est ïa section droite du produit à l'engagement de ce laminage à chaud final et "s" 2 a section droite obtenue à la fin dudit am:nage à chaud final, au moins égale à 3. Les essais ont montré que ie laminage à chaud final devait etre terminé de préférence entre 1050 et 950OC, températures du produit. Ernfin, le iaminage à chaud -al doit 8tre suivi. d'un refroidissement homogène à l'air. Des moyens de refroidissement accéléré tel que de l'air sou-_lé ou des brouillards (eau + air) peuvent ître ut!isés, pourvu que lie refroidissement reste homogène, c'est-à-dire que les vwitesses de refroidissement doivent peu différer d'une section droite à une autré-e du produit. Le préchauffage avant le laminage à chaud final peut également -tre effectué en-dessous de 1050'C, par exempvle entre 1000'C et 1050'C, mails ie procédé tout en restant applicable' devient plus diffclc'e à mettre en oeuvre. - Comme on le verra à propos des essais. l'ajustement de la température de ainmnage est important en même temps que i'ajustement de la composition pour ies réglages de la teneur en ferrite, de la teneur en (C +.;) dissous et de la taiMe de grain sur produit, facteurs tous particulièrement importants pour l'obtention directe du compromis très surprenant de caractéristiques mécaniques des barres ou fil mac. ne bruts de laminage à chaud selon l'invention si S MPa - E 0.2 - 650 à 850 NMPa - A 7/ 10 % rési'-ence,U'.10 Jcm7. Les bar-res ou fil m.achn.e selon l".'iven.tion sont reconna"ssazies par "-ensemble de ieur-s caractéristiques m.écanriques et de leur analyse. ces caractéristiques mécaniques étant singulières pour une telle analyse. Ils sont aussi caractérisés 2-567151 en complément par une proportion de ferrite dans la rnrtensite àrér'eure à 30 % et typiquement comprise entre 15 et 25 %. a-nsi que par un diamètre moyen de grain ou de phases (martersite et ferr-te) é.uvaie.n.t à 5 à!0 ASTM (spécf'icat.o. ASTNM E 112), soit 65 à:. I:1 ia. Ces caractér:stIques structurales sont en bonne partde responsabies des caractéristiques mécariques. Les barres selon l'invention se présentent sous la forme de barres brutes de a.r.i:age à chaud. ou àam'rées à chaud puis dressées avec eventueller.ment une f'i:iton de surface,-de diamètre ou épaisseur compris entre 15 et 250 mm et de préfér-ence entre 15 et 120 mm. Le fil machine de diamètre compris entre 5 et 35 mm selon l'invention se présente habituellement en couronne ou en barres dressées. A la sortie du laminage à chaud final, le refroidissement est surtout fait en couronnes ou en spires décalées. ESSAI.S ET EXAMENS Les résul;ta-s de.uatre séries d'essais et des examens complémentaires permettront de mieux comprendre 'invent'on et ses divers aspects. La figure 1 représente l'évolution de la proportion de ferrite en fonction de la tem.p rature de ptéchauffage, dans le cas de la coulée IA) correspondant ià la pre=ière sér.e d'essais. La fIgure 2 situe les limites élastiques E 0,2 en f.Oction des % ferrite pour les barres obtenues dans les première et troisième séries d'essais. La figure 3 représente les domamines de teneurs extrêmes (C %, N %) des barres ou fils machine de l'invention. Prem'ère serle d'essais On a effectubé une couiCe (A) en carrés de 250 mrm yant pour analyse (% en po'ds}: C - 0,038 - S' -' 0,029 donc C + N - 0,067 2567'151 Cr - 12.36 - V - 0.032 - S -0.016 -Si - 0.27 - M" 0.42 i - 0,28 - Mo - 0. 07 - P - 0.019 - Cu 0.11 impuretés inévitables et Fe le solde. Le dégrossissage à chaud a été effectué au bloomirng comme. d'habitude à 1200-1250'C env:ron, transformant les carrés de 250 mm en carrés de 148 mm. Les ca:-rés de 14-8 mm oefrn.s ont ensu'e eté p-6chau.fs dans ua four à diverses tempéracures comme indiqué dans ie tableau p-is laminés à chaud en final par passes suècessives.sUsqu'aux daamètres portés dans le tableau et reftroldies. à l'air. D'après les mesures effectuées- au pyromètre optique, on a estimé que la témpérature des barres en. fin de laminage était dans tous les cas comprise entre 950 et 1000 C. TABLEAU DES RESULTATS -CARACTERISTIQUES SUR BARRES LAMINEES 0 barres Temp. de Taille - Rap. laminées préchauf. R E 0,2 Strict. -KCU2 moyenne Ferrite (mm) ( C) (MPa) (MPa) A Z Z (J/cm) grain dans la- -, ' (ASTI) martensite {. 1 20 1120/1'-40 1085 790 16 64 116--122 8-9 19 A2 35 1080/1100 1015 695 14 52 104-106 or 26 coeur 7-8 A3 50 1160 1055 765 12 45 102-110 bord 7-8 23 coeur 6-8 2 A4 65 1080/1100 1035 685 14 53 118-132 5-7 22 A5 80 1080/1100 1060 720 14 60 94-98 coeur 6-8 18-20 coeur 6-8 182 bord: 3-5 A6 80 1240 1005 610 4 8 28-28 mi-ray.1-3 22-26 coeut 2-4 Ces résu'tats morntrent l'excellent niveau des caractér!stiques mécaniques obtenues pour les barres AI à AS préchauffées se-on ies cas entre 1080 et i1'60C et laminées seion ies cas entre 1150 C et 950 C (température des barr.es), avec une réduction de section S/s minimale cans ie cas des barres "A5 et égaie alors à La réduct'o. de sec:on aximaie est celle des barres A1 20 mm avec.-/s' 69. Le cas des barres "A6 préchauffées à 1240 C et donc laminées à chaud à partir de 1220-1230'C montre bien l'effet néfaste sur la ductilité (A %, Z %) et sur arésil'ence. KCU de cette surchauffe relative. Ce sont surtout les g-rains beaucoup plus grossiers à mi-rayon et a coeur que dans les barres préchauffées et laminées dans les conditions de l'-Invention qui expliquent ces mauvais résultats. Par comparaison avec les barres "AS", on voit que la limaite élastique obtenue avec ces conditions de préchauffage et de iaminage à- chaud est également diminuée et que la charge de rupturé semble aussi légèrement affectée. Deuxème serie d'essais T.U-e gosse barre de a coulée A a été. trarsrmée par lamige e a forgeage en piats d'épaisseur 20 mm, dont des préièvements ont été portés 30 mn a diverses températures de réchauffage allant de 850 à 1300 C puis refroidies rapi.ement par trempe à l'eau. Sur chaque prélèvement, on a etermin.e sur coupe microgra.hiq.aue la ?rprortion de errite " O %" dans de la martensiteo Les résultats sont portés sur la figure 1. La courbe (>) qui relie es points figratLfs appelle les commentaires suivants: pour cette cou:ée A et pour des préilvements amnsi réchauffés et trempés, C: % passe par un minimum (2 %) pour la température de réchauffage de 1050 C. Les teneurs en ferrite % N10 sont obtenues pour des températures de préchauffage comprises entre 950 et!150 C. On a ainsi une indication qualitative: l'ajustement de la température de préchauffage et de laminage est certainement important pour ie reSiage de la teneur en ferrite. Il faut minimiser la teneur en ferrite pour obtenir une bonne rês:!ience et une bonne rés'stance mécanique. donc pr.échauber et lainer dans un intervalle de température restreint dépendant à ia fois de cet effet dans ies conditions dynamiques réelles et d'autres facteurs très importants: raise en solution et maintien en solut'on de C et de N pour durcir la matrice, obtention d'une structure à grain fin (préchauffage et recristallisation au cours du laminage). Troisième séie d'essais On a élaboré une coulée (B) d'anaiyse {% en Doidsl: C = 0,050 - 0,038 donc C + N - 0,088 - Cr - 12,55 - S = 0,06 - Si 0,34 - Mn - 0,45 - Ni - 0,19 -Mo - 0,05 - P - 0,019 Cu - 0,11 - impuretés inévitables et Fe: le solde. Les carrés coulés de 250 x 250 mm ont été transformés à chaud comme ?réalablement et onr. a effectué des essais sermblables en partant de carrés de 148 mm, avec refroidissement à l'air des barres o;tenues. La température des barres en fin de laminage était comprise entre 950 et 1000 C. Les températures de préchauffage et les caractéristiques mécaniques obtenues sur les barres sont rassemblées dans ie Tableau cidessous: CARACTERISTIQUES SUR BARRES LAMINEES 0 barres Temp. - __. Rep. laminées prech. R E 0,2 Z Strict. KC (Jm2) (mmn) (OC) (MPa) (MPa) Z % B1 20 1100 1080 770 16 63 134 B2 25 1110 1035 695 18 63 134 B3 33 1100 1020 685 17 63 125 B4 35 1180 995 615 13 51 60 I,... Ces essais correspondant à une teneur (C + N') plus élevée que dans les Dpre=.:ers essais en sont une confirmation. La tem ature de préchauffage de 11800C pour "B4" affecte fortement la rés!'-lence KGU et plus faiblement mais e façon. nette d'abord la ductli'ité (A % et Z %), et ensuite stlrtout E 0,2. Le rapprochement des résu'tats de "B4" et "A6" montr.e bien 'effet pro.. ess. f de la "surchauffe" par rapport à la température de préchauffage limite de 1160 C (barres "A3") selon l'invention. Examens com!lémentazres On a porté les limites élastiques des barres des deux coulées (A) et (B) (première et troisième séries d'essais) sur le graphique de la figure 2. Ce graphique montre que dans l'intervalle de teneur en ferrite o % de 18 à 35 %, une réduction de c" % de 10 % correspond en moyenne à une augmentation de E 0,2 de env-ron 100 MPa. Q.at.rième série d'essais On a testé un acier (D) à teneuir en (C - X) plus élevée que celles de l'invention, d'analyse C - 0,105 - N - 0,039 donc C + N - 0,144 -. Cr = 12,19 - N'b = 0,073 - V - 0,073 - S - 0,015 - SI - 0,41 - Mn"- 0,92 - NE' - 0,18 - Mo = 0,46 - P = 0,021 - AI - 0,02 - impuretés et Fe le solde. Cet acier a été laminé en barres. 80 mm à 1100 C avec un rapport "S/s" de 4. Les caractéristiques mécaniques obtenues sur ces barres sont R - 1210 MPa- E 0.,2 - 1060 MPa A - 15 % striction Z % - 60 - KCU 5-10 J/cm2. On obtient donc avec (C + N) aussi élevé une résidence très faible, et lorsque (C 4 N), et encore plus à la fois (C + N') et S. augmentent il s'ajoute à cette résilience très faible un risque de tapure pour les barres. Commena"..res: effet de (C + X) La figure 3 situe d'une part les points guatfs (C %, N %) des cou'ées (A) - (B) et (D), d'autre part le domaine (E) de teneurs (C %, N%) selon l'invenrtion ainsi que le domaine préférentiel (F) le p'us étroit. Le durc.ssement des barres, traduit par!'augmentarion de R et de E 0,2, dépend de façon importante de la teneur en (C N') dissous. De petites adacitions de Ni ' 0,' % et/ou de V - 0,1 % jouent également un rôle durcisseur. Dans le cas des barres {D), les bonnes caractéristiques R et E 0.2 sont liées à la teneur en (C + N) élevée et aux peltes additions de Nb et de V. mais les teneurs en (C, N) sont en dehors du rdomaine de l'invention et la résMlence est très faible. On a vu par ailleurs dans les première et troisième séries d'essais l'infl.uence de la température de préchauffage et de laminage à chaud final lorsqu'on est dans le domaine de compositions de l'invention. Par comparaison avec le traitement de trempe classique, qui comporte typiquement un chauffage de mise en solution entre 950 et 1050 C, l'effet de ce préchauffage et de ce laminage à chaud selon l'invention est de dissoudre au mieux (C et N) et de les maintenir au mieux en solution. Tandis que l'accroissement de C augmente en outre légèrement la trempabilité. l'accroissement de N peut contribuer -à la finesse du grain de recristallisation au cours du laminage grâce à la précipitation de petits nitrures. Les effets métallurgiques de C, N, C 4- N et des températures de préchauffage et de laminage paraissent ainsi complexes et "enchevetrés", car ils influencent à des degrés divers - 'a ta'le de grain. - la proportion de ferrite dans la martensite, - 'a dureté de la matrice, dont le rôoe paraît important pour comprendre qualitativement les résultats surprenants de l'invention. L'ajustement de (C + N) est un facteur particulièrement important. Le procédé est particulièrement adapté à la production de barres ou fil machine avec des moyens de laminage à chaud en continu. Les barres ou fils m.ac.hine de l'invention sont ut'lisés notamment pour la fabrlcation de pièces mécaniques résistant à la corrosion, travaillant au contact f567151 1'1 de l'eau, de la vapeur d'eau, de vin ou de bière: telles que des arbres, pistons, chemises, van-es ou pièces de boulonnerie. 256715 1 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de barres ou fil machine en acier inoxydable martensitique, dans lequel on élabore un acier et on le coule sous forme de produits, puis dans lequel on transforme les produits coulés par corroyage à chaud comprenant un éventuel dégrossissage à chaud, un éventuel préchauffage et un laminage à chaud final, caractérisé en ce qu'on élabore un acier de composition {% en poids): C - 0,015 à 0,090 % et N - 0,015 à 0,080 % avec C + N - 0,05 à 0,120 %; Cr 9,0 à 14,0 %; Nb 0,1 %; V homogène à l'air ou avec un brouillard (eau + air). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier élaboré contient: Cr = 11,0 à 14,0 %. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé en ce que l'acier élaboré contient: C - 0,030 à 0,060 % et- N - 0,020 à 0,050 % avec C + N 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le préchauffage ou la fin du dégrossissage à chaud précédant le laminage à chaud final porte le produit à une température comprise entre 1050'C et 1160'C. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le laminage à chaud final est terminé entre 1050 et 950 C (température du produit). 6. Barre ou fil machine en acier inoxydable martensitique, caractérisé en ce qu'elle ou il a comme composition (% en poids): C 0,015 à 0,090 % et N - 0,015 à 0,080 % avec C + N - 0,05 à 0, 120 % cr 9,0 à -140 %; xb R - 900 à 1100 MPa; E 0.2 - 650 à 850 MPa; A 10 %; résil'ence KCU. 410 J/cm-. 7. Barre ou fl machine selon ia revendication 6, caractérisé en ce qu'elle ou il contient: C - 0.030 à 0,060 % et N - 0.020 à 0,050 % avec C + N 8. Barre ou fil machine selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'elle ou il contient S MPa; A - 12 à 16 %; résiiience KCU 80 à 140 J/cm2. 9. Fil machine selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, de diamètre ou épaisseur compris entre 5 et 35 mm, en barres dressées ou en couronnes. 10. Barre selon l'une queiconque des revendications 6 à 8, de diamêtre ou épaisseur compri's entre 15 et 250 mm.