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UGI 97/003
PROCEDE DE FABRICATION DE BANDES MINCES D'ACIER INOXYDABLE
FERRITIQUE, ET BANDES MINCES AINSI OBTENUES
L'invention concerne la métallurgie des aciers inoxydables. Plus
particulièrement,
elle concerne la coulée d'aciers inoxydables ferritiques directement à partir
de métal liquide
sous forme de bandes de quelques mm d'épaisseur.
Depuis plusieurs années, des recherches sont conduites sur la coulée de bandes
d'acier de quelques mm d'épaisseur ( 10 mm au maximum), directement à partir
de métal
liquide, sur des installations dites de "coulée continue entre cylindres". Ces
installations
1o comprennent principalement deux cylindres à axes horizontaux, disposés côte
à côte, ayant
chacun une surface externe bonne conductrice de la chaleur énergiquement
refroidie
intérieurement, et définissant entre eux un espace de coulée dont la largeur
minimale
correspond à l'épaisseur des bandes que l'on désire couler. Cet espace de
coulée est obturé
latéralement par deux parois en réfractaire appliquées contre les extrémités
des cylindres.
Les cylindres sont entraînés en rotation en sens contraires et l'espace de
coulée est alimenté
en acier liquide. Des "peaux" d'acier se solidifient contre les surfaces des
cylindres et se
rejoignent au "col", c'est-à-dire au niveau où la distance entre les cylindres
est minimale,
pour former une bande solidifiée que l'on extrait en continu de
l'installation. Cette bande se
refroidit ensuite de manière naturelle ou forcée, avant d'être bobinée.
L'objectif de ces
2o recherches est de parvenir à couler par ce procédé des bandes d'acier de
diverses nuances,
notamment d'aciers inoxydables.
Dans les conditions de coulée les plus courantes, où la bande sortant des
cylindres
se refroidit naturellement à l'air libre, le bobinage de la bande intervient
le plus souvent à
une température de l'ordre de 700 à 900°C, selon son épaisseur et la
vitesse de coulée. La
température de bobinage dépend aussi, bien entendu, de la distance entre les
cylindres et la
bobineuse. On laisse ensuite la bande bobinée se refroidir naturellement,
avant de lui faire
subir des traitements métallurgiques comparables à ceux pratiqués
habituellement sur les
bandes laminées à chaud élaborées à partir de brames de coulée continue
classique.
L'application de ce procédé de coulée aux aciers inoxydables ferritiques du
type
3o standard AISI 430, qui contiennent typiquement 17% de chrome, a montré que
les bandes
ainsi obtenues présentaient une mauvaise ductilité. En conséquence, les bandes
les plus
minces (dont l'épaisseur est de l'ordre de 2 à 3,5 mm) sont excessivement
fragiles et ne
supportent pas les manutentions ultérieures, effectuées à température
ambiante, telles que le
débobinage et le cisaillage des rives : pendant ces opérations, on constate
l'apparition de
fissures sur les rives des bandes, voire de casses de la bande lors du
débobinage.
On explique habituellement cette mauvaise ductilité par plusieurs facteurs
- la bande brute de coulée présente essentiellement une structure colonnaire à
gros
grains ferritiques (la taille moyenne du grain est supérieure à 300 pm dans
l'épaisseur de la
bande), qui est une conséquence directe de la succession d'une solidification
rapide sur les
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cylindres et d'un séjour de la bande à haute température après qu'elle a
quitté les cylindres,
lorsqu'elle ne subit pas de refroidissement forcé ;
- les grains ferritiques présentent une dureté élevée, due à leur
sursaturation en
éléments interstitiels (carbone et azote) ;
- la présence de martensite issue de la trempe de l'austénite présente à haute
température.
Pour y remédier, on a imaginé d'effectuer sur les bobines, postérieurement à
leur
refroidissement, un recuit vase clos à une température inférieure à la
température (dite Acl)
de transformation de la ferrite en austénite lors du réchauffage.
Classiquement, ce recuit est
1o effectué à environ 800°C pendant au moins 4 heures. On vise ainsi à
précipiter des carbures
à partir de la matrice ferritique, à transformer la martensite en ferrite et
en carbures, et à
coalescer les carbures de chrome, afin d'adoucir le métal. Ce traitement doit
permettre une
amélioration des caractéristiques mécaniques et de la ductilité, malgré la
conservation de la
structure colonnaire à gros grains ferritiques. Cependant les essais effectués
à l'échelle
industrielle ont montré que cette méthode était insuffisante pour obtenir une
bande d'une
ductilité convenable.
On explique cette fragilité persistante de la bande après le recuit vase clos
par le
fait que la bande brute de coulée, une fois bobinée, ne subit qu'un
refroidissement très lent
puisque ses deux faces sont en contact avec du métal chaud, et que seules ses
tranches sont
2o au contact de l'air ambiant et sont libres de rayonner. Ce refroidissement
très lent conduit à
une précipitation abondante de carbures à partir de la ferrite et à la
transformation d'une
partie de l'austénite en ferrite et en carbures, alors que le reste de
l'austénite forme de la
martensite au refroidissement. Le recuit vase clos permet d'achever la
décomposition de la
martensite en ferrite et carbures, mais il contribue surtout à la coalescence
de gros carbures
sous forme de films continus. La fragilité du métal est, précisément,
attribuée à ces gros
carbures dont la taille est de l'ordre de 1 à 5 p.m. Ils constituent des sites
d'amorçage pour
les ruptures qui se propagent par clivage dans la matrice ferritique
environnante : leur effet
néfaste s'ajoute à celui de la structure colonnaire à gros grains.
En conséquence, diverses tentatives ont été effectuées pour mettre au point un
3o procédé de coulée entre cylindres de bandes minces d'acier inoxydable
ferritique présentant
une bonne ductilité. Elles visaient à modifier la nature des précipités formés
au cours du
refroidissement de la bande, ou à "casser" la structure brute de coulée à gros
grains
ferritiques.
A cet égard, on peut citer le document JP-A-62247029, qui préconise un
refroidissement en ligne à une vitesse supérieure ou égale à 300°C/s
entre 1200 et 1000°C,
suivi par le bobinage qui est effectué entre 1000 et 700°C.
Le document JP-A-5293595 recommande d'effectuer le bobinage à une
température de 700 à 200°C, tout en conférant à l'acier de faibles
teneurs en carbone et
azote (0,030% ou moins) et une teneur en niobium de 0,1 à 1% agissant comme
stabilisant.
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D'autres documents proposent d'effectuer un laminage à chaud en ligne, qui
vient
s'ajouter aux contraintes analytiques précédentes sur le carbone et l'azote,
et peut aussi se
conjuguer à une stabilisation au niobium ou à l'azote (voir les documents JP-A-
2232317,
JP-A-6220545, JP-A-8283845, JP-A-8295943).
On peut également citer le document EP-A-0638653, qui propose, pour un acier à
13-25% de chrome, d'imposer un total des teneurs en niobium, titane, aluminium
et
vanadium de 0,05 à 1,0%, des teneurs en carbone et azote de 0,030% au maximum
et une
teneur en molybdène de 0,3 à 3%. La composition pondérale de l'acier doit, de
plus,
satisfaire la condition "yp < 0%" .yp est un critère représentatif de la
quantité d'austénite
1o formée à la précipitation. On le calcule par la formule
yp=420x%C+470x%N+23 x%Ni+9x%Cu+7x%Mn- 11,5 x%Cr- 11,5 x%Si
- 12x%Mo-23 x%V-47x%Nb-49x%Ti-52x%Al+ 189.
De plus, il est nécessaire d'effectuer un laminage à chaud de la bande dans la
plage
de températures 1150-900°C avec un taux de réduction de S à 50%, puis
de la refroidir à
une vitesse inférieure ou égale à 20°C/s ou de la maintenir dans le
domaine de températures
11 SO-950°C pendant au moins 5 s, et enfin de la bobiner à une
température inférieure ou
égale à 700°C.
Pour mettre en oeuvre toutes ces méthodes, il faut donc combiner
- des élaborations coûteuses et diffciles du métal liquide destiné à la coulée
de la
2o bande, si on veut obtenir les basses teneurs en carbone et azote
nécessaires, voire le cas
échéant les teneurs souhaitées en éléments stabilisants ;
- des traitements thermiques et thèrmomécaniques effectués sur la ligne de
coulée
au moyen d'installations lourdes (laminoir à chaud en ligne) ;
- et la réalisation de cycles thermiques complexes nécessitant également des
installations spécialement adaptées pour obtenir les vitesses de
refroidissement élevées ou
les temps de maintien à haute température nécessaires.
Le but de l'invention est de proposer un mode de production économique de
bandes minces d'acier inoxydable ferritique de types AISI 430 et apparentés
par coulée entre
cylindres; qui procure auxdites bandes une ductilité suffisante pour permettre
aux opérations
3o de débobinage, de cisaillage des rives et de transformation à froid
(décapage, laminage...) de
se dérouler sans que surviennent des incidents tels que des casses de bande ou
l'apparition
de fissures en rives. Afin que l'objectif économique soit atteint, ce procédé
ne devrait pas
comporter d'étapes nécessitant l'ajout d'installations complexes à une machine
de coulée
entre cylindres standard. Il ne devrait pas, non plus, rendre nécessaire
l'exécution d'une
élaboration du métal liquide visant à l'obtention de très basses teneurs en
éléments tels que
le carbone et l'azote, ainsi que l'addition d'éléments d'alliages coûteux.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication de bandes d'acier
inoxydable
ferritique, selon lequel, directement à partir de métal liquide, on solidifie
entre deux
cylindres rapprochés à axes horizontaux, refroidis intérieurement et tournant
en sens
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contraires, une bande d'un acier inoxydable ferritique du type contenant au
plus de
0,12% de carbone, au plus 1 % de manganèse, au plus 1 % de silicium, au plus
0,040% de phosphore, au plus 0,030% de soufre et entre 16 et 18% de chrome,
caractérisé en ce qu'on refroidit ou laisse se refroidir ensuite ladite bande
en évitant
de la faire séjourner dans le domaine de transformation de l'austénite en
ferrite et
carbures, en ce qu'on effectue le bobinage de ladite bande à une température
comprise entre 600°(:' et la température de transformation
martensitique Ms, en ce
qu'on laisse la bande bobinée se refroidir à une vitesse maximale de
300°C/h jusqu'à
une température comprise entre 200°C et la température ambiante, et en
ce qu'on
procède ensuite à un recuit vase clos de ladite bande.
L'invention a également pour objet une bande d'acier inoxydable ferritique
du type contenant au plus 0,12% de carbone, au plus 1 % de manganèse, au plus
1
de silicium, au plus (),040% de phosphore, au plus 0,030% de soufre et entre
16 et
18% de chrome, caractérisée en ce qu'elle est susceptible d'être obtenue par
le
procédé précédent.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste, en partant d'une bande
d'acier inoxydable fcrritique de composition standard coulée entre cylindres,
à
refroidir et à bobiner ladite bande dans des conditions particulières, avant
de lui
faire subir un recuit vase clos. Ce traitement vise essentiellement à limiter
autant
2 o que possible la formation de gros carbures fragilisants. Pour cela, il
faut limiter la
précipitation des carbures et favoriser la transformation de fausténite en
martensite
au stade brut de coulée, en évitant toutefois que cette transformation en
martensite
ne se produise lorsque la bande n'est pas encore bobinée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,
2 5 faisant référence aux figures annexées suivantes
la figure 1 qui situe sur un diagramme montrant les courbes de
transformation au reièoidissement de la nuance AISI 430 quatre exemples A, B,
C,
D de chemins thermiques suivis par la bande après sa sortie des cylindres de
coulée,
dont deux exemples C, D où elle subit un traitement selon l'invention;
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- la figure 2 qui montre un cliché en microscopie électronique en
transmission sur lame mince d'une bande ayant suivi le chemin thermique A de
la
figure 1, puis un recuit vase clos;
- la figure 3 qui montre un cliché en microscopie électronique en
transmission sur lame mince d'une bande ayant, selon l'invention, suivi un
chemin
thermique intermédiaire entre les chemins C et D de la figure 1, puis un
recuit vase
clos.
Dans la suite de cette description, on raisonnera sur des aciers dont la
composition satisfait aux critères habituels de la norme AISI 430 sur les
aciers
inoxydables ferritiques standards, donc contenant au plus 0,12% de carbone, au
plus
1 % de manganèse, au plus 1 % de silicium, au plus 0,040% de phosphore, au
plus
0,030% de soufre et entre lti et 18% de chrome. Mais il va de soi que le
domaine
d'application de l'invention peut être étendu à des aciers contenant, de plus,
des
éléments d'alliage non forcément exigés par les standards habituels (par
exemple
des stabilisants tels que du titane, du niobium, du vanadium, de
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l'aluminium, du molybdène), dans la mesure où leurs teneurs ne seraient pas
élevées au point
de contrarier les processus métallurgiques qui seront décrits et sur lesquels
l'invention est
fondée. En particulier, la présence de ces éléments d'alliage ne devrait pas
modifier l'allure
des courbes de transformation de l'exemple de la figure 1 au point que les
chemins
5 thermiques que la bande doit suivre, selon l'invention, ne seraient plus
accessibles sur une
installation de coulée entre cylindres.
Les aciers qui ont fait l'objet des essais dont les résultats seront décrits
et
commentés en relation avec les figures 1 à 3 avaient la composition suivante,
exprimée en
pourcentages pondéraux
l0 - carbone : 0,043% ;
- silicium : 0,24% ;
- soufre : 0,001% ;
- phosphore : 0,023% ;
- manganèse : 0,41% ;
- chrome : 16, 3 6% ;
nickel : 0,22% ; -
- molybdène : 0,043% ;
- titane : 0,002% ;
- niobium : 0,004% ;
- cuivre : 0,042% ;
- aluminium : 0,002% ;
- vanadium : 0,064% ;
- azote : 0,033% ;
- oxygène : 0,0057% ;
- bore : moins de 0,001% ;
soit un total carbone + azote de 0,076% (ce qui est tout à fait habituel sur
de telles
nuances), un critère yp, calculé selon la formule habituelle citée plus haut,
égal à 37,6% (ce
qui n'est pas particulièrement bas, du fait notamment des relativement faibles
teneurs en
vanadium, molybdène, titane et niobium, et une température Ac1 de
transformation de la
fernte en austénite lors du réchauffage de 851°C. Cette dernière
température est calculée au
moyen de la formule classique
Acl =35 x%Cr+60x%Mo+73 x%Si+ 170x%Nb+290x%V+620x%Ti+750x
Al+1400x%B-250x%C-280x%N-115x%Ni-66x%Mn-18x%Cu+310
Comme on l'a exposé précédemment, lorsqu'une telle bande brute de coulée est
bobinée vers 700-900°C sans avoir été refroidie de manière forcée, puis
est laissée se
refroidir naturellement en bobine avant de subir un recuit vase clos, les
performances de
ductilité de la bande après ce recuit ne sont pas satisfaisantes. La raison en
est que le
refroidissement lent dans la bobine implique un passage du métal dans le
domaine de
précipitation des carbures de chrome de type Cr23C6 à partir de la ferrite
(précipitation qui
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se produit aux joints ferritiques et aux interfaces ferrite-austénite), et
surtout dans le
domaine de décomposition de l'austénite en ferrite et carbures de chrome de
type Cr23C6
Ce mécanisme favorise la croissance de gros carbures fragilisants, et le
recuit vase clos qui
suit accentue la coalescence de gros carbures sous forme de films continus.
Les courbes de
transformation de la figure 1, valables pour la nuance AISI 430 considérée,
illustrent ce
phénomène.
Sur cette figure l, on a reporté notamment la température Ac5 représentative
de la
fin de la transformation de la ferrite a en austénite y au réchauffage, la
température Acl de
début de cette même transformation, et les températures Ms et Mf de début et
de fin de la
1o transformation de l'austénite y en martensite a' au refroidissement. On a
aussi reporté la
courbe 1 qui délimite la gamme de température où a lieu la précipitation de
carbures de
chrome de type Cr23C6 aux joints ferritiques et aux interfaces ferrite-
austénite, ainsi que la
courbe 2 qui délimite la zone de début de transformation de l'austénite en
ferrite et carbures
de chrome. Sont également reportés quatre exemples A, B, C, D de traitements
thermiques
que l'on fait subir à la bande coulée après sa sortie des cylindres, dont deux
(C et D) sont
représentatifs de l'invention. -
Le traitement A consiste, conformément à l'art antérieur précédemment exposé,
à
laisser la bande se refroidir naturellement à l'air libre après sa sortie des
cylindres de coulée,
et à procéder à son bobinage à environ 800°C, alors qu'elle se trouve
dans la zone de
2o précipitation des carbures de chrome aux joints ferritiques et aux
interfaces ferrite-austénite.
Ce bobinage provoque, comme on l'a dit, un ralentissement considérable du
refroidissement
de la bande, qui est ensuite contrainte de séjourner longuement dans la zone
de
transformation de l'austénite en ferrite et carbures de chrome, avant de se
retrouver à
température ambiante.
Le traitement B consiste à laisser la bande se refroidir naturellement à l'air
libre, en
la laissant parvenir à la température ambiante sans la bobiner. La bande ne
séjourne pas dans
la zone de transformation de l'austénite en ferrite et carbures de chrome,
mais elle subit une
importante transformation martensitique entre les températures Ms et Mf. On
verra
pourquoi yn tel traitement ne peut être inclus dans l'invention.
3o Le traitement C, représentatif de l'invention, consiste à laisser d'abord
la bande se
refroidir naturellement, sans être bobinée, de manière à lui éviter de
séjourner dans la zone
de transformation de l'austénite en ferrite et carbures de chrome, et à ne
procéder au
bobinage qu'à une température de 600°C environ. Au cours du
refroidissement de la bande
bobinée, celle-ci finit par rejoindre sensiblement le chemin thermique final
du traitement A.
Le traitement D, également représentatif de l'invention, est dans son principe
identique au traitement C, mais le bobinage de la bande n'a lieu qu'à une
température de
300°C environ. Cette température demeure cependant impérativement
supérieure à Ms (qui
dépend de la composition chimique de l'acier), et au cours du refroidissement
de la bobine
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on évite que la bande ne séjourne dans la zone où la transformation
martensitique aurait lieu
de manière très importante. Son chemin thermique final rejoint ceux des
traitements A et C.
Le cliché de la figure 2 montre une portion d'un échantillon d'une bande de
référence qui a suivi le chemin thermique A de la figure 1 (donc un bobinage à
800°C) pour
être amenée sous forme bobinée à température ambiante, puis a subi un recuit
vase clos
dans des conditions habituelles, à savoir un séjour à 800°C environ
pendant 6 heures. La
bande a la composition chimique précisée plus haut et une épaisseur de 3 mm.
On y observe
que la majorité de (échantillon est constituée par de gros grains ferritiques
3. Les zones 4
comportant de petits grains ferritiques issus de la transformation de la
martensite a' lors du
l0 recuit vase clos ne représentent qu'une fraction minoritaire de
l'échantillon. On remarque
surtout la présence, au sein de la structure, de films continus de carbures de
chrome 5. Ces
films de carbures résultent du fait que, dans un premier temps, le
refroidissement lent de la
bande bobinée dans la zone de transformation de fausténite en ferrite et
carbures a
provoqué une forte précipitation des carbures, et dans un deuxième temps, le
recuit vase
clos a accentué la coalescence de ces carbures. Comme on le verra, la présence
de ces films
continus de carbures est une cause de la mauvaise ductilité du métal.
Le cliché de la figure 3 montre une portion d'un échantillon d'une bande selon
(invention (de mêmes composition et épaisseur que celle de la figure 2) qui a
suivi un
chemin thermique intermédiaire entre les chemins C et D de la figure 1 jusqu'à
la
2o température ambiante (la bande a été bobinée à 500°C), puis a subi
un recuit vase clos
identique à celui subi par l'échantillon de référence de la figure 2. On
observe que les gros
grains ferritiques 3 sont toujours présents, mais que les zones à petits
grains ferritiques 6
issus de la transformation de la martensite a' sont en proportion plus
importante. Le fait
d'avoir fait traverser rapidement à la bande le domaine de précipitation des
carbures et
nitrures et de lui avoir fait éviter le domaine de transformation de
fausténite en ferrite et
carbures a d'abord conduit à une précipitation limitée de fins carbures dans
la ferrite (ce qui
est inévitable, vu la rapidité de leur précipitation). De plus, on a ainsi
conservé d'importantes
plages d'austénite, plus riche en carbone et azote que la ferrite, qui se sont
ensuite
transformées en martensite. Lors du recuit vase clos qui a suivi, de fins
carbures ont
3o précipité au sein de la ferrite, et la martensite s'est décomposée en
ferrite et en fins carbures
répartis de façon beaucoup plus homogène que dans l'échantillon de référence
de la figure 2.
On n'observe ainsi plus de films continus de carbures coalescés, mais tout au
plus des
chapelets discontinus 7 de carbures de faibles dimensions (moins de 0,5 pm)
aux frontières
entre les gros grains ferritiques et les zones à petits grains ferritiques
parsemés de carbures.
Ces petits carbures sont nettement moins sensibles à (amorçage des fissures
que les films
continus de (échantillon de référence. L'apparition notable des zones à petits
grains
ferritiques lors du recuit vase clos est due à la relaxation des contraintes
emmagasinées lors
de la formation de la martensite, qui donne lieu à un phénomène de
restauration. Ces plages
de petits grains ferritiques sont beaucoup plus ductiles que la matrice à gros
grains
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ferritiques, et permettent de limiter la fragilité du métal, notamment en
freinant la
propagation des fissures par clivage.
Les ductilités des bandes obtenues par le procédé de référence et par le
procédé
selon l'invention ont été évaluées par des essais de flexion par choc sur des
éprouvettes
Charpy avec entaille en "V", au cours desquels on a évalué leur résilience par
mesure de
l'énergie absorbée à 20°C par les échantillons. Les essais ont été
conduits sur des
échantillons de bandes prélevés avant et après le recuit vase clos. Leurs
résultats sont
exposés dans le tableau 1 suivant
Energie absorbe Energie absorbe
20C avant recuit 20C aprs recuit
vase vase
clos clos
Bande bobine 800C rfrence ~ S J/cmz ~ 5 J/cm2
Bande bobine 500C invention~ 5 J/cmz ~ 60 J/cm=
1o Tableau 1: Résilience des échantillons de bande en fonction de la
température de bobinage
On voit que la température de bobinage n'a pas d'influence sur la ductilité à
20°C
de la bande brute de coulée, qui n'a pas encore subi le recuit vase clos.
Cette ductilité est
très médiocre, et elle n'est pas améliorée par le recuit vase clos dans le cas
de la bande de
référence, bobinée chaude. Comme on l'a vu sur le cliché de la figure 2, le
recuit vase clos a,
dans ce cas de référence, été impuissant à promouvoir une structure de la
matrice métallique
et une répartition des carbures favorables à une bonne ductilité. En revanche,
la ductilité de
la bande bobinée dans les conditions préconisées par l'invention a pu être
considérablement
améliorée par le recuit vase clos, et amenée à un niveau très satisfaisant.
L'expérience
2o montre, en effet, qu'une résilience de l'ordre de 30 à 40 J/cm2 est
suffisante pour que les
traitements à froid (débobinage, cisaillage des rives notamment) puissent être
effectués sans
dommages pour la bande.
Le fait d'avoir évité à la bande bobinée de traverser la zone de
transformation de
l'austénite en fernte et carbures a conduit, lors dû refroidissement de la
bande, à la
formation de fins carbures dans la ferrite, dont la morphologie et la
répartition sont
sensiblement plus favorables à l'obtention, après le recuit vase clos, de
carbures fins et
régulièrement répartis. Ceux-ci sont donc beaucoup moins gënants pour la
ductilité de la
bande que les films continus de carbures observés sur l'échantillon de
référence. La matrice
métallique obtenue après le refroidissement de la bande bobinée à basse
température, qui est
3o plus riche en martensite, est également plus favorable à une bonne
ductilité de la bande
finale, car le recuit vase clos agit efficacement sur la martensite pour la
décomposer
essentiellement en ferrite à petits grains.
Un autre test représentatif de la ductilité de ces mêmes bandes après le
recuit vase
clos a été effectué. Il consiste à réaliser des pliages alternés à 90°
d'une éprouvette dont les
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bords sont bruts de cisaillage ou ont été usinés. Un pliage correspond à une
opération
consistant à couder l'échantillon à 90°, puis à le ramener à sa
configuration droite initiale.
On évalue le nombre de pliages qu'il est possible d'effectuer avant que
l'échantillon ne se
rompe ou présente des fissures au niveau de la zone de pliage. Le tableau 2
suivant
regroupe la moyenne des résultats de ces expériences:
Bords usins Bords cisaills
Bande bobine 800C rfrence 2 0
Bande bobine 500C invention6 4
Tableau 2: Nombre moyen de pliages avant rupture ou apparition de fissures en
fonction de
la température de bobinage
Un nombre de pliages égal à 0 signifie que la bande ne supporte même pas
d'être
pliée une seule fois avant que n'apparaissent les premières fissures ou la
rupture pure et
simple. Là encore, il est net que la bande qui a été élaborée conformément à
l'invention se
comporte beaucoup mieux que la bande de référence, pour les raisons qui ont
été données
précédemment.
En résumé, la première idée fondamentale de l'invention est d'imposer à la
bande
sortant des cylindres un chemin de refroidissement qui permette de limiter la
précipitation
des carbures, en évitant surtout ceux qui pourraient provenir de la
décomposition de
l'austénite et qui seraient susceptibles de coalescer en gros films continus
lors du recuit vase
clos. La seconde idée est de promouvoir, au même stade de l'élaboration, la
transformation
2o de l'austénite en martensite de manière à obtenir le plus possible de
ferrite à grains fins
pendant le recuit vase clos. Ces conditions sont réalisées si on limite le
temps passé par la
bande coulée dans le domaine de précipitation des carbures et nitrures à
partir de la ferrite,
et surtout si on lui évite de séjourner dans le domaine de la transformation
de l'austénite en
ferrite et carbures. Dans la pratique, la réalisation de ces conditions sur
les nuances AISI
430 et celles qui lui sont apparentées nécessite que le bobinage de la bande
soit effectué à
600°C oû moins pour éviter que la bande ne séjourne dans le domaine de
la transformation
de l'austénite en ferrite et carbures pendant qu'elle est bobinée. En fonction
des conditions
de coulée particulières telles que l'épaisseur de la bande, la vitesse de
coulée et la distance
séparant les cylindres et la bobineuse, ces conditions pourront être remplies
par un simple
3o refroidissement naturel à l'air de la bande, ou pourront nécessiter
l'utilisation d'une
installation de refroidissement forcé de la bande, par exemple au moyen d'une
projection
d'un fluide refroidissant tel que de l'eau ou un mélange eau-air. On considère
que
l'imposition à la bande d'une vitesse de refroidissement supérieure ou égale à
10°C/s entre sa
sortie des cylindres et le moment où elle atteint la température de
600°C à partir de laquelle
peut avoir lieu le bobinage procure généralement les résultats souhaités.
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Il faut cependant que la formation de martensite lors du refroidissement de la
bande
soit contrôlée de façon qu'elle ne devienne pas elle-même nuisible. En premier
lieu, il est
impératif d'éviter que de la martensite ne se forme avant le bobinage, car
elle entraînerait de
gros risques de casse de la bande lors du bobinage. Pour cela, il est
nécessaire que le
5 bobinage soit effectué à une température supérieure à la température Ms de
transformation
de l'austénite en martensite, soit énviron 300°C. D'autre part, un
refroidissement trop rapide
de la bobine (supérieur à 300°C/h) conduirait à une formation excessive
de martensite très
dure. Celle-ci rendrait la bande trop fragile pour supporter sans incidents
les manipulations
de la bobine précédant le recuit. L'exemple de traitement B de la figure 1 est
représentatif
1o des défauts auxquels pourrait conduire un refroidissement trop rapide de la
bande: l'absence
de bobinage a conduit à une vitesse de refroidissement moyenne d'environ
1000°C/h. Après
ce refroidissement, la bande présentait une dureté de 192 Hv, ce qui est trop
élevé, alors
que la bande de référence ayant suivi le chemin A avait une dureté de 155 Hv.
Les bandes
selon l'invention ayant subi un traitement intermédiaire entre les chemins C
et D ont des
duretés de l'ordre de 180 Hv. II faut considérer que la bande bobinée ne doit
pas se refroidir
à une vitesse supérieure à 300°C/h. Dans la pratique, cette condition
est généralement
satisfaite sur les installations de format industriel lorsqu'on ne prend pas
de mesures
particulières pour accélérer le refroidissement des bobines (une vitesse de
refroidissement
naturel à l'air de (ordre de 100°C/h est habituellement constatée).
2o D'autre part, pour obtenir de bons résultats, il faut attendre pour
procéder au recuit
vase clos que la bande bobinée se soit suffisamment refroidie pour que les
transformations
souhaitées aient eu le temps de s'accomplir, notamment la transformation de
l'austénite en
martensite. Dans la pratique, le recuit vase clos doit être effectué sur une
bobine dont la
température est initialement comprise entre l'ambiante et 200°C. II est
typiquement réalisé à
une température de 800-850°C pendant au moins 4 heures.
Par rapport aux autres procédés existants visant à améliorer la ductilité des
bandes
d'acier inoxydable ferritique contenant environ 17% de chrome, le procédé
selon l'invention
présente l'avantage de ne pas nécessiter d'adaptations particulières et
coûteuses de la nuance
telles que l'incorporation de stabilisants et/ou l'abaissement des teneurs en
carbone et azote
3o jusqu'à des niveaux inhabituellement bas. Il peut être exécuté sur une
machine de coulée
continue entre cylindres qui n'a pas besoin d'être équipée d'une installation
de laminage à
chaud de la bande sortant des cylindres. Il ne nécessite pas, non plus,
d'adaptations
particulières des étapes du cycle de fabrication postérieures à la coulée
(recuit vase clos,
cisaillage de rives, décapage...). La seule modification à une installation de
coulée entre
cylindres standard que son implantation est susceptible d'exiger est
l'addition éventuelle d'un
dispositif de refroidissement de la bande sous les cylindres. Un tel
dispositif, qui pourra être
de conception très simple, permettrait d'assurer que la bande ne séjourne
jamais dans le
domaine de transformation de l'austénite en ferrite et carbures et que le
bobinage s'effectue
toujours à 600°C ou moins, quelles que soient la vitesse de coulée et
l'épaisseur de la bande,
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et même si la bobineuse est située relativement près des cylindres (ce qui
peut être a
contrario souhaitable pour la coulée d'autres types d'aciers).
Il demeure dans l'esprit de l'invention d'appliquer le procédé précédemment
décrit
à des bandes coulées entre cylindres qui subissent un laminage à chaud sous
les cylindres,
lorsque par ailleurs les conditions requises sur le refroidissement et le
bobinage de la bande
sont remplies. On peut désirer effectuer un tel laminage à chaud pour
améliorer la santé
interne de la bande en refermant ses éventuelles porosités, et pour améliorer
sa qualité de
surface. De plus, un laminage à chaud, effectué à des températures de 900 à
1150°C avec
un taux de réduction d'au moins 5%, a un effet bénéfique sur la ductilité de
la bande dont
l0 l'expérience montre qu'il se cumule avec l'effet du procédé selon
l'invention, sans qu'il soit
nécessaire de respecter les conditions analytiques très strictes exposées dans
le document
EP-A-0638653 déjà cité. On peut ainsi obtenir des ductilités de la bande plus
élevées que
celles que permettraient d'atteindre la seule application d'un laminage à
chaud ou la seule
application de la version de base du procédé selon l'invention.
A titre d'exemple, on a effectué des essais sur une bande d'acier d'épaisseur
2,7 mm coulée entre cylindres, de composition (exprimée en pourcentages
pondéraux)
- carbone: 0,040% ;
- silicium: 0,23% ;
- soufre: 0,001% ;
- phosphore: 0,024% ;
- manganèse: 0,40% ;
- chrome: 16,50% ;
- nickel: 0,57% ;
- molybdène: 0,030% ;
- titane: 0,002% ;
- niobium: 0,001% ;
- cuivre: 0,060% ;
- aluminium: 0,003% ;
- vanadium: 0,060% ;
3o - azote: 0,042% ;
- oxygène: 0,0090% ;
- bore: moins de 0,001%.
Cette composition correspond à un critère yp de 46,5% et à une température Acl
de 826°C.
En l'absence de laminage à chaud, lorsque le bobinage de la bande est effectué
à
800°C (conformément au traitement A de la figure 1 ) avant le recuit
vase clos, la bande ne
supporte pas un seul pliage sur bords cisaillés et la rupture survient
immédiatement. Dans le
cas d'un bobinage à 670°C, la bande ne supporte qu'un seul pliage sur
bords cisaillés. Mais
si on effectue le bobinage à 500°C selon le procédé de l'invention, la
bande peut supporter 4
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pliages sur bords cisaillés. Ces essais confirment donc ceux de l'exemple
illustré sur les
figures 1 à 3.
Lorsque de plus ladite bande subit un laminage à chaud à une température de
1000°C avec un taux de réduction de son épaisseur égal à 30%, un
bobinage effectué à
500°C selon l'invention procure à la bande une énergie absorbée à
20°C (après recuit vase
clos) de 160 J/cm2, pour des conditions d'essai similaires à celles des essais
du tableau 1
précédent. Par comparaison,- si le bobinage est effectué à 800°C,
l'énergie absorbée à 20°C
est seulement de 100 J/cm2.
Les bandes susceptibles d'être produites par le procédé selon l'invention se
1o distinguent des bandes de l'art antérieur essentiellement en ce qu'elles
combinent
- une structure colonnaire à gros grains ferritiques coexistant avec de
nombreuses
zones à petits grains ferritiques parsemés de carbures ;
- l'absence de films continus de gros carbures, remplacés par des chapelets de
petits
carbures discontinus, présents aux frontières entre les gros grains
ferritiques et les zones à
petits grains ferritiques ;
- dans le cas, selon la version de base de l'invention, où on n'a pas procédé
à un
laminage à chaud de la bande avant son bobinage, l'absence des structures
dénotant
classiquement qu'on a procédé à un tel laminage à chaud ;
- et, généralement, l'absence de teneurs significatives en éléments
stabilisants tels
2o que le niobium, le vanadium, le titane, l'aluminium, le molybdène ; comme
on l'a dit, de tels
éléments peuvent éventuellement être présents pour diverses raisons, mais ils
n'exercent pas
d'influence notable sur la ductilité de la bande.
Leur bonne ductilité rend ces bandes aptes à subir ensuite sans dommages les
opérations métallurgiques habituelles qui les transformeront en produits finis
utilisables par
un client, notamment un laminage à froid.
