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CA 02230016 1998-02-20
UGI 97/00
PROCE.DE DE FABRICATION D UN FEUILLARD EN ACIER INOXYDABLE FERRITICIUE A
HAUTE TENEUR EN ALUMINIUM UTII lSI\RI F NOTAMMENT POUR UN SUPPORT DE
CATALYSEUR D'ECHAPPEMENT DE VEHICULE AUTOMOBILE
L.'invention concerne un procédé de fabrication d'un feuillard en
s acier inoxydable ferritique à haute teneur en aluminium utilisable
notamrnent pour un support de catalyseur d'échappement de véhicule
automobile.
Dans la fabrication des pots catalytiques situés dans une ligne
d'échappement de véhicule automobile, on utilise pour réaliser le
o support mécanique des composés catalyseurs, deux types de
matériaux: des céramiques ou des métaux. Le choix des métaux se
porte sur des alliages base fer contenant dans leur composition du
chrome et de l'aluminium.
L'alliage doit former de l'alumine lors d'une oxydation dans le
domaine de température compris entre 700~C et 1200~C. De plus, le
feuillard doit contenir suffisamment d'aluminium pour former de
l'alumine pendant toute la durée d'utilisation à chaud du support de
catalyseur.
Il est connu un alliage du type Fe-20%Cr-5%AI élaboré
20 directement par coulée en aciérie. La transformation des tôles réalisées
avec cet alliage présente des difficultés dans le domaine du laminage à
froid, en particulier, en raison de son comportement fragile. De plus, il
est difficile de dépasser une teneur en aluminium de plus de 5,5% dans
la cornposition de l'acier en raison d'une accentuation de la fragilité des
25 bandes de tôle obtenues.
Il est également connu un procédé de colaminage d'aluminium
avec une tôle d'acier inoxydable dans lequel on plaque à froid une
bande d'acier inoxydable entre deux feuilles d'aluminium, on lamine le
feuilleté obtenu, puis on recuit le feuilleté de façon à provoquer une
30 diffusion de l'aluminium dans la bande d'acier.
Le but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication
d'un feuillard en acier inoxydable ferritique à haute teneur en aluminium
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utilisable notamment pour un support de catalyseur d'échappement de
véhicule automobile en assurant au feuillard une teneur en aluminium
élevée et un état de surface favorable à son utilisation dans une ligne
d'échappement de type catalytique.
s l 'invention a pour objet un procédé dans lequel on plaque à froid
deux feuilles d'aluminium de part et d'autre d'une bande de tôle en
acier inoxydable ferritique, on lamine le feuilleté obtenu, on recuit le
feuilleté de façon à provoquer une diffusion de l'aluminium, caractérisé
en ce que la tôle en acier inoxydable ferritique de composition suivante:
0,005% < carbone < 0,060%
10% < chrome c 23%
0,1% < aluminium < 3%
0,003% ~ azote < 0,030%
0,1% < manganèse < 2%
0,1% < silicium < 2%
éléments de terres rares dans une proportion comprise
entre ID,03% et 0,15%,
lamin~ie à chaud et à froid jusqu'à une épaisseur inférieure ou égale
1,5 mm,
20 est soumise à:
- un recuit d'adoucissement à une température comprise entre
600~C et 1 200~C,
- un plaquage entre deux feuilles d'aluminium dont la somme des
épaisseurs est comprise entre 0,05 fois et 0,32 fois l'épaisseur de la
25 bande de tôle en acier pour I'obtention du feuilleté,
- un laminage du feuilleté à une épaisseur comprise entre 0,05
mm et 0,25 mm pour former un feuillard,
- un recuit statique de diffusion du feuillard sous atmosphère
contrôlée d'hydrogène avec un point de rosée inférieur à -30~C,
- un laminage de finition du feuillard avec un taux de réduction
total supérieur à 20% assurant une rugosité Ra finale inférieure à
0,25 I~m.
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l.es autres caractéristiques de l'invention sont:
- le procédé comprend en outre un recuit final d'adoucissement
en continu à une température comprise entre 600~C et 1200~C,
- les teneurs en aluminium et en azote satisfont la relation
s suivanl:e: %AI > 2 x (%N) + 0,030,
- la somme des teneurs en éléments titane et zirconium et
niobiurn satisfait à la relation suivante:
%Ti + (%Zr t- %Nb) x (48/93) < 0,050%,
~ I'acier de la bande de tôle comprend dans sa composition de
o 15%à19%dechrome,
~- la composition de l'acier comprend en outre moins de 1% de
cuivre,
- la composition de l~acier comprend en outre moins de 1% de
nickel,
S - la composition de l'acier comprend en outre moins de 0,5% de
molybdène,
- I'acier de la bande de tôle comprend dans sa composition de
0,1% à 0,5% d'aluminium,
- le recuit final d'adoucissement en continu est effectué dans un
20 intervalle de température compris entre 800~C et 1000~C.
L'invention concerne également un feuillard inoxydable ferritique
à haul:e teneur en aluminium utilisable notamment pour un support de
catalyseur d'échappement de véhicule automobile obtenue par le
procédé, caractérisée en ce qu'elle comprend dans sa composition de
25 4,5% à 10% d'aluminium et présente un état de surface de rugosité
inférieure à 0,25,um et de préférence inférieure à 0,1 ~l~m.
L'invention concerne également un ruban en acier inoxydable
ferritique à haute teneur en aluminium utilisable notamment dans le
domaine des résistances électriques obtenue par le procédé, caractérisé
30 en ce qu'il présente une résistivité supérieure à 1,4,uQ.m.
La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à
titre d'exemple non limitatil, fera bien comprendre l'invention.
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I a figure 1 est une photographie présentant la formation de
nitrures d'aluminium en interface acier-aluminium du feuilleté lorsque
l'acier ne contient pas dans sa composition une proportion déterminée
d'aluminium.
s l a figure 2 présente une caractéristique d'allongement en service
sous sollicitations thermiques en fonction du temps d'utilisation à
chaud d'un feuillard A selon l'invention et d'un feuillard B du type 20%
Cr-5%AI d'un acier élaboré en aciérie.
I a figure 3 présente l'évolution de la teneur en aluminium au
10 cours d'une utilisation à chaud dans un feuillard A selon l'invention et
un feuillard B du type 20%Cr-5%AI d'un acier élaboré en aciérie.
I a figure 4 présente une caractéristique d'allongement d'un
feuillard selon l'invention et une caractéristique d'allongement du
feuillard rugueux n'ayant pas subi de laminage après recuit de
S diffusion.
ILe procédé selon l'invention traite de la fabrication d'un feuillard
en aciler inoxydable ferritique à haute teneur en aluminium utilisable
notamment pour un support de catalyseur d'échappement de véhicule
automobile dans lequel une bande d'acier inoxydable laminée d'une
20 épaisseur inférieure ou égale 0,5 mm de composition suivante:
0,005% < carbone < 0,060%
10% < chrome < 23%
0,1% < aluminium < 3%
0,003% < azote < 0,030%
0,1 % < manganèse < 2%
0,1% < siliciurn < 2%
éléments de terres rares dans une proportion comprise
entre 0,03% et 0,15%, est plaquée pour l'obtention d'un feuilleté, le
placage étant réalisé en plaçant de part et d'autre de la bande de tôle
30 une feuille d'aluminium. La somme des épaisseurs des deux feuilles est
comprise entre 0,05 fois et 0,32 fois l'épaisseur de la bande de tôle en
acier.
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On lamine le feuilleté obtenu pour l'obtention d'un feuillard, on
recuit le feuillard de façon à provoquer une diffusion de l'aluminium, le
recuit de diffusion étant un recuit statique sous atmosphère contrôlée
d'hydr,ogène avec un point de rosée inférieur à -30~C.
s ILa tôle d'acier inoxydable utilisée pour le plaquage de l'aluminium
est en acier inoxydable qui ne contient pas les éléments du type titane,
zirconium niobium. Selon l'invention, la bande de tôle de base
compn3nd une teneur en chrome inférieur à 23% et une quantité
d'aluminium comprise entre 0,1% et 3% et de préférence une teneur
10 en chrome comprise entre 15% et 19%. Sous cette forme, la
transformation de la bande de tôle est grandement améliorée,
comparativement à la transformation d'une tôle d'acier contenant
environ 20% de chrome ou plus. En effet, la transformation d'une
bande de tôle ne contenant aucun stabilisant du type titane, zirconium
ou niobium et une teneur en chrome supérieure à environ 19% est
rendue! difficile par la fragilité due aux carbonitrures de chrome dans
l'acier de la bande.
La teneur en aluminium du feuillard obtenu est comprise entre
4,5% et 10%, ce qui correspond à une concentration en aluminium de
20 la bande de tôle supérieure à ce qui peut être obtenu par le procédé
d'élaboration directe par coulée en aciérie de l'acier.
Il a été remarqué que la présence d'un élément stabilisant du
type l:itane, zirconium, niobium, dans l'acier de la tôle nuit aux
propri~tés d'usage du feuillard support de catalyseur, en particulier
25 dans le domaine de la tenue en service sous sollicitations thermiques
mesun3es dans le domaine de l'allongement et de l'oxydation.
De même, des éléments d'alliage, comme par exemple le
molybdène, forme avec l'oxygène un oxyde du type MoO3 volatil à des
température de l'ordre de 1 000~C, ce qui nuit à la cohésion de la
30 couche d'oxyde en surface du feuillard. Pour cela, la teneur en
molybdène contenue dans la composition de l'acier est limitée
volontairement à moins de 0,5%.
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O'autre part, la présence d'au moins 0,1% d'aluminium dans la
composition de l'acier permet d'introduire dans le métal liquide des
terres rares sous forme métallique sans former d'oxydes de terres rares
de manière excessive.
s Oe plus, I'aluminium piège l'azote contenu dans l'acier de la
bande avant et pendant l'opération de recuit de diffusion. En effet, il a
été relmarqué dans le cas d'un tôle d'acier ne contenant pas
d'aluminium dans sa composition que l'azote dudit acier diffuse vers
I'interface du feuilleté où il se combine avec l'aluminium des feuilles
10 destinées à la diffusion de l'aluminium dans l'acier. Il se forme, en
interfac:e, une couche de nitrure d'aluminium source de fragilité,
comme illustré par la photographie de la figure 1.
l.orsque l'acier de la bande de tôle contient dans sa composition
des teneurs en aluminium comprises dans l'intervalle selon l'invention,
I'azote de l'acier est fixé par l'aluminium dudit acier de façon
homoglbne sous forme de fins précipités et la diffusion de l'azote vers
les interfaces est annihilée.
'ielon l'invention, les teneurs en aluminium et en azote de l'acier
de la bande de tôle satisfont la relation suivante
20 %AI > 2 x (%N) + 0,30.
I'utilisation d'une bande de tôle d'acier inoxydable contenant de
l'aluminium facilite la diffusion de l'aluminium des feuilles plaquées. Du
fait de la présence de l'aluminium dans l'acier de la tôle, la teneur en
aluminium après diffusion est plus homogène entre coeur et surface du
2s feuillan~. La réserve en aluminium du feuillard est augmentée.
I'atmosphère contrôlée d'hydrogène du four de diffusion est
nécessaire car la présence d'azote provoque la formation de nitrures
d'aluminium dans le feuillard qui nuisent aux caractéristiques
mécaniques dudit feuillard. L'atmosphère d'hydrogène avec un point
30 de ros~e inférieur à -30~C favorise l'obtention d'un métal non oxydé et
rend possible le laminage du feuillard.
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Le recuit de diffusion, nécessairement statique, est effectué sous
cloche! car le temps de maintien en température doit être suffisamment
long. Ceci induit en particulier un refroidissement lent dans la partie
interne des bobines de feuillard et donc une fragilisation à 475~C dudit
s feuillard.
Lors du recuit de diffusion, la rugosité Ra du feuillard est portée
à une valeur de l'ordre du micromètre.
Selon l'invention, le feuillard subit un laminage de finition
assurant une rugosité Ra finale inférieure à 0,25 /~m et de préférence
10 inférieure ou égale à 0,1~m, le laminage de finition étant suivi de
préférlence, d'un recuit final continu.
L'état de surface lisse, favorable aux propriétés d'usage en pot
catalytique, est obtenu par laminage à froid du feuillard après recuit de
diffusion, le taux de réduction du laminage à froid étant supérieur à
20% en utilisant pour les deux dernières passes de laminage des
rouleaux de laminoir polis.
Le recuit final réalisé! entre 700~C et 1200~C et de préférence
entre 800~C et 1 000~C, est un recuit continu suivi d'un
refroiclissement rapide avec une vitesse de refroidissement supérieure à
20 25~C par seconde. Ce recuit permet d'éliminer la fragilité du mé!tal
créée lors du recuit de diffusion.
L'état du feuillard obtenu selon le procédé de l'invention, lissé
duranlt les dernières passes de laminage de finition et comportant une
rugosité adaptée, de préférence inférieure à 0,111m, permet d'obtenir
25 une tenue en service excellente en allongement et un état facilitant les
opéral:ions de brasage. Du métal non oxydé apparaît en effet en surface
duranlt le laminage.
Dans un exemple de réalisation de l'invention, la bande de tôle,
en acier contenant dans sa composition pondérale:
carbone= 0,045%
chrome = 16,36%
aluminium = 0,18%
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azote = 0,02%
manganèse = (),48%
silicium = 0;47%
soufre = 0,0006%
s phosphore = 0,027%
molybdène = 0,016%
nickel = 0 16%
cuivre = 0 110%
titane + zirconium + niobium = 0,001 % et satisfaisant la
10 relation: %Ti + ( %Zr + %Nb ) x (48/93) < 0,050%,
des éléments de terres rares, cérium et lanthane, dans une
proportion de 0,035%, est laminée à chaud et à froid à une épaisseur
de 0,5 mm. Après recuit d'adoucissement, on plaque sur la tôle d'acier
inoxydable deux feuilles d'aluminium de qualité alimentaire d'épaisseur
50 /~m suivi d'un relaminage jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm. Le
feuillard obtenu est soumis ensuite à un recuit de diffusion à 900~C
pendant 15 heures, en vase clos sous atmosphère d'hydrogène pur
avec un point de rosée inférieur à - 30~C.
Le feuillard est ensuite laminé à une épaisseur finale de 50 IJm
20 sous un taux de réduction de 75% avec un état de surface dont la
rugosilé présente un Ra final de 0,08 IJm. Le laminage est alors suivi
d'un recuit final en continu au défilé à 950~C pendant 40 secondes
sous atmosphère d'hydrogène. Les différentes opérations du procédé
décrit permettent l'obtention du feuillard testé en température et dont
2s l'allongement est présenté sur la figure 2.
Le feuillard selon l'invention présente une caractéristique
d'allongement sous contralnte thermique en service en fonction du
temps d'utilisation à chaud, présentée par la courbe A de la figure 2,
particulièrement améliorée en comparaison avec une caractéristique
30 d'allongement d'un feuillard de référence du type 20% Cr-5%AI d'un
acier é!laboré en aciérie et présenté par la courbe B.
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La figure 3 présente l'évolution de la teneur en aluminium au
cours d'une utilisation à chaud dans la composition d'un feuillard A
selon l'invention et dans la composition d'un feuillard B de référence du
type ~!0%Cr-5%AI d'un acier élaboré en aciérie.
La figure 4 présente une caractéristique d'allongement d'un
feuillard selon l'invention et une caractéristique d'allongement du
feuillard n'ayant pas subit de laminage après recuit de diffusion.
