CA 02266597 1999-03-15
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UGI 97/007
Acier inoxydable austénitique pour l'élaboration notamment de fil.
La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique
pour l'élaboration notamment de fil, ayant une propreté inclusionnaire
adaptée pour une utilisation dans le domaine du tréfilage de fil de
diamètre inférieur à 0,3 mm et dans le domaine de la réalisation de
pièces soumises à la fatigue.
On désigne par aciers inoxydables, les alliages de fer contenant
au moins 10,5% de chrome. D'autres éléments entrent dans la
composition des aciers afin de modifier leur structure et leurs
io propriétés.
Les aciers inoxydables austénitiques ont une composition
déterminée. La structure austénitique est assurée après transformation,
par un traitement thermique de type hypertrempe.
Du point de vue métallurgique, il est connu que certains éléments
d'alliage entrant dans la composition des aciers favorisent l'apparition
de la phase ferrite de structure métallographique de type cubique
centré. Ces éléments sont dit alpha-gènes. Parmi ceux-ci figurent le
chrome, le molybdène, le silicium.
D'autres éléments dits gamma-gènes favorisent l'apparition de la
2o phase austénite de structure métallographique de type cubique à faces
centrées. Parmi ces éléments figurent le carbone, l'azote, le
manganèse, le cuivre, le nickel.
Dans le domaine par exemple du tréfilage, il est connu que pour
obtenir un fil de diamètre inférieur à 0,3 mm, dit fin, l'acier inoxydable
utilisé ne doit pas comporter d'inclusions dont la taille génère la casse
de fil lors du tréfilage.
Dans l'élaboration des aciers inoxydables austénitiques, comme
pour tous les autres aciers élaborés avec des moyens conventionnels et
économiquement adaptés à la production de masse, la présence
3o d'inclusions de type sulfures ou oxydes est systématique et
irrémédiable. En effet, les aciers inoxydables peuvent, à l'état liquide,
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contenir en solution, du fait des procédés d'élaboration, des teneurs en
oxygène et en soufre inférieures à 1000 ppm. Au cours du
refroidissement de l'acier à l'état liquide ou solide, la solubilité des
éléments oxygène et soufre diminue et l'énergie de formation des
s oxydes ou des sulfures est atteinte. On assiste alors à l'apparition
d'inclusions formées d'une part, de composés de type oxydes
contenant des atomes d'oxygène et des éléments d'alliage avides de
réagir avec l'oxygène tels que calcium, magnésium, aluminium,
silicium, manganèse, chrome, et d'autre part, de composés de type
1o sulfures contenant des atomes de soufre et des éléments d'alliage
avides de réagir avec le soufre tels que manganèse, chrome, calcium,
magnésium. II peut apparaître également des inclusions qui sont des
composés mixtes de type oxysulfure.
II est possible de réduire la quantité d'oxygène contenu dans
15 l'acier inoxydable en utilisant des réducteurs puissants tels que
magnésium, aluminium, calcium, titane ou une combinaison de
plusieurs d'entre eux mais ces réducteurs conduisent tous à la création
d'inclusions riches en MgO, A120g, Ca0 ou Ti02 qui sont sous la
forme de réfractaires cristallisés, durs et indéformables dans les
2o conditions de laminage de l'acier inoxydable. La présence de ces
inclusions génère des incidents par exemple de tréfilage et des casses
de fatigue sur les produits élaborés avec l'acier inoxydable.
II est connu la demande de brevet FR 95 04 782 qui traite d'un
acier inoxydable austénitique pour la réalisation de fil pouvant être
25 utilisé dans le domaine du tréfilage et dans le domaine de la réalisation
de pièces soumises à la fatigue.
II a été constaté que l'acier inoxydable décrit ne présentait pas,
d'une manière générale, en fonction des différentes compositions, des
performances fiables aussi bien du point de vue du nombre de casses
3o au tréfilage que du point de vue de tenue à la fatigue. En d'autres
termes, les compositions de l'acier d'écrites dans la demande de brevet
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de l'art antérieur ne donnent pas toutes entière satisfaction, du fait
notamment, de la définition beaucoup trop large du domaine
inclusionnaire.
II a été mis en évidence, une zone fermée dans le domaine
inclusionnaire, définie par des intervalles de teneurs en éléments
résiduels spécifiques qui assurent des performances optimales et
fiables notamment, en tréfilage et fatigue.
L'invention a pour but la réalisation d'un acier inoxydable
austénitique ayant une propreté inclusionnaire sélectionnée, acier
1o pouvant être utilisé notamment dans le domaine du tréfilage en
diamètre inférieur à 0,3 mm et dans le domaine de la réalisation de
pièces soumises à la fatigue.
L'invention a pour objet un acier inoxydable austénitique de
composition pondérale suivante:
- 5.10-3% <_ carbone <_ 200. 10-3%
- 5.10-3 % <_ azote <_ 400. 10 -3
- 0,2% <_ manganèse <_ 10%,
- 12% <_ chrome s 23%
0,1 % <_ nickel <_ 17%,
- 0,1 % <_ silicium < 2%,
dans lequel les éléments résiduels sont contrôlés de manière
que
- 0% <_ soufre s 100.10-4%,
- 40.10-4% < oxygène total <_ 120.10-4%,
- 0% < aluminium < 5.10-4%
- 0% s magnésium <_ 0,5.10-4%
- 0 % < calcium <_ 5.10-4%
- 0% <_ titane <_ 4.10-4%
- des impuretés inhérentes à la fabrication,
3o et dans lequel des inclusions d'oxydes ont, sous forme de mélange
vitreux, les proportions pondérales suivantes:
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~4
- 40% <_ Si02 S 60%
-5%<_Mn0<_50%
-1%<_Ca0<_30%
- 0% <_ Mg0 <_ 4%
s - 5 % <_ A1203 <_ 25
- 0% <_ Cr203 < 4%
- 0% < Ti02 <_ 4%,
les oxydes dont sont composées les inclusions satisfaisant la relation
suivante
%Cr203 + %Ti02 + %Mg0 < 10%.
Les autres caractéristiques préférées de l'invention sont
- la composition de l'acier comprend moins de 50.10-4 % de soufre.
- la composition de l'acier comprend en outre moins de 3% de
molybdène.
Is - la composition de l'acier comprend en outre moins de 4% de cuivre.
La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à
titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre l'invention.
Les figures 1 et 2 présentent respectivement une image d'un
exemple d'inclusion peu déformée, épaisse et une image d'un exemple
2o d'inclusions contenues dans un acier selon l'invention.
L'acier selon l'invention contient dans sa composition pondérale
de 5.10-3% à 200. 10-3% de carbone, de 5.10-3% à 400.10 -3%
d'azote, de 0,2% à 10% de manganèse, de 12% à 23% de chrome,
de 0,1 % à 17% de nickel, de 0,1 % à 2% de silicium, et en particulier
2s des éléments résiduels contrôlés de manière que leur composition
pondérale soit la suivante : plus de 0% à 100.10-4% de soufre, de
40.10-4% à 120.10-4% d'oxygène total, plus de 0% à 5.10-4%
d'aluminium, de 0% à 0,5.10-4% de magnésium, plus de 0% à 5.10'
4% de calcium, de 0% à 4.10-4% de titane.
30 - des impuretés inhérentes à la fabrication,
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â
et dans lequel des inclusions d'oxydes ont, sous forme de mélange
vitreux, les proportions pondérales suivantes:
- 40% _< Si02 <_ 60%
-5%<_MnOs50%
s - 1 % <_ Ca0 <30%
- 0% _< Mg0 < 4%
-5%__<A1203s25%
- 0% <_ Cr20g < 4%
- 0% S Ti02 <_ 4%,
les oxydes dont sont composés les inclusions satisfaisant la relation
suivante
%Cr203 + %Ti02 + %Mg0 < 10%.
Le carbone, l'azote, le chrome, le nickel, le manganèse, le
silicium sont les éléments habituels permettant l'obtention d'un acier
is inoxydable austénitique.
Les teneurs en manganèse, chrome, soufre, en proportion sont
choisies pour générer des sulfures déformables de composition bien
déterminée.
Les intervalles de composition des éléments en silicium et
2o manganèse, en proportion, assurent selon l'invention, la présence
d'inclusions de type silicate, riches en Si02 et contenant une quantité
non négligeable de MnO.
Le molybdène peut être ajouté à la composition de l'acier
inoxydable austénitique pour améliorer la tenue en corrosion, avec une
2s teneur maximale de 3%.
Le cuivre peut être également ajouté à la composition de l'acier
selon l'invention car il améliore les propriétés de déformation à froid et
de ce fait, stabilise l'austénite. Cependant le teneur en cuivre est
limitée à 4% pour éviter des difficultés de transformation à chaud car le
3o cuivre abaisse sensiblement la limite supérieure de température de
réchauffage de l'acier avant laminage.
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G
Les intervalles en oxygène total, aluminium et calcium
permettent, selon l'invention, d'obtenir des inclusions de type silicate
de manganèse contenant une fraction non nulle de A1203 et de CaO.
L'aluminium et le calcium contenus dans la composition de l'acier
assurent, dans les inclusions recherchées, la présence de plus de 1
de Ca0 et plus de 5 % de A1203.
Les valeurs des teneurs en oxygène total sont selon l'invention
comprises entre 40 ppm et 120 ppm.
Pour une teneur en oxygène total inférieure à 40 ppm, l'oxygène
1o fixe les éléments magnésium, calcium, aluminium et ne forme pas
d'inclusion d'oxydes riches en Si02 et MnO.
Pour une teneur en oxygène total supérieure à 120 ppm, il y aura
dans la composition des oxydes plus de 4% de Cr203, ce qui favorise
la cristallisation que l'on cherche à éviter.
La teneur en calcium est inférieure à 5. 10-4% de façon que les
inclusions recherchées ne contiennent pas plus de 30% de CaO.
La teneur en aluminium est inférieure à 5.10-4% pour éviter que
les inclusions recherchées contiennent plus de 25 % de A1203, ce qui
favorise également une cristallisation non désirée.
2o II est concevable, après avoir réalisé selon un procédé
conventionnel et économique, un acier contenant des inclusions de
type oxyde et sulfure, de le raffiner pour faire disparaître ces inclusions
en utilisant des procédés de refusion lents et peu rentables
économiquement tels que les procédés de refusion sous vide (Vacuum
Argon Remelting ) ou de refusion sous laitier ( Electro Slag Remelting ).
Ces procédés de refusion ne permettent d'éliminer que
partiellement, par décantation dans la flaque de liquide, les inclusions
déjà présentes sans modifier leur nature et leur composition.
L'invention concerne un acier inoxydable austénitique contenant
3o des inclusions de composition choisie obtenue volontairement, la
composition étant en relation avec la composition globale de l'acier, de
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telle sorte que les propriétés physiques de ces inclusions favorisent leur
déformation lors de la transformation à chaud de l'acier.
Selon l'invention, l'acier inoxydable austénitique contient des
inclusions de composition déterminée qui ont leur point de
s ramollissement proche de la température de laminage de l'acier et telles
que l'apparition de cristaux plus durs que l'acier à la température de
laminage comme notamment les composées définis, Si02, sous forme
de tridymite, christobalite, quartz; 3Ca0-Si02; CaO; MgO; Cr203;
anorthite, mullite, gehlenite, corindon, spinelle du type A1203-Mg0 ou
lo A1203-Cr203-Mn0-MgO; Ca0-A1203; Ca0-6A1203; Ca0-2A1203;
Ti02 est inhibée.
Selon l'invention, l'acier contient principalement des inclusions
d'oxyde de composition telle que celles-ci forment un mélange vitreux
ou amorphe pendant toutes les opérations successives de mise en
15 forme de l'acier. La viscosité des inclusions choisies est suffisante pour
que la croissance des particules cristallisées d'oxydes dans les
inclusions résultantes de l'invention soit totalement inhibée du fait que,
dans une inclusion d'oxyde, la diffusion à courte distance est faible et
les déplacements convectifs sont très limités. Ces inclusions restées
2o vitreuses dans le domaine de température des traitements à chaud de
l'acier présentent également une dureté et un module d'élasticité plus
faibles que des inclusions cristallisées de composition correspondante.
Ainsi les inclusions peuvent être encore déformées, écrasées et
allongées, lors d'opération par exemple de tréfilage, et la concentration
25 de contraintes au voisinage des inclusions est fortement diminuée, ce
qui atténue de façon importante le risque d'apparition, par exemple, de
fissures de fatigue ou des casses au tréfilage.
Selon l'invention, l'acier inoxydable austénitique contient des
inclusions d'oxydes de composition définie telle que leur viscosité dans
30 le domaine des températures de laminage à chaud de l'acier ne soit pas
trop élevée. De ce fait, la contrainte d'écoulement de l'inclusion est
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nettement plus faible que celle de l'acier dans les conditions de
laminage à chaud dont les températures sont généralement comprises
entre 800°C et 1350°C. Ainsi les inclusions d'oxydes se
déforment en
même temps que l'acier lors du laminage à chaud et donc après
laminage, ces inclusions sont parfaitement allongées, et d'épaisseur
très faible, c'est à dire inférieure à 5 ou 10 micromètres, ce qui permet
d'éviter tout problème de casse lors, par exemple, d'une opération de
tréfilage.
Les inclusions décrites ci-dessus sont selon l'invention, réalisées
1o avec les moyens d'élaboration classiques et très productifs d'une
aciérie électrique pour aciers inoxydables tels que four électrique,
convertisseur AOD ou VOD, métallurgie en poche et coulée continue.
Avec les procédés classiques d'élaboration et de coulée, décrits
précédemment, la distribution en taille des inclusions sur le produit brut
1s de coulée est relativement indépendante de la composition de celles-ci.
Donc, avant laminage à chaud, on retrouve dans les aciers les mêmes
tailles et la même distribution d'inclusions.
Les inclusions d'oxydes ci dessous présentant les propriétés
favorables décrites sont selon l'invention composées d'un mélange
2o vitreux de Si02; MnO, CaO, A1203, MgO, Cr203,,Ti02 et
éventuellement, de trace de FeO, dans les proportions pondérales
suivantes
- 40% s Si02 s 60%
-5%<_Mn0s50%
2s - 1 % <_ Ca0 5 30%
- 0% < Mg0 5 4%
- 5% <_ A1203 5 25%
- 0% <_ Cr203 <_ 4%
- 0% <_ Ti02 <_ 4% .
3o Si la teneur en Si02 est inférieure à 40%, la viscosité des
inclusions d'oxydes est trop faible et le mécanisme de croissance de
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c)
cristaux d'oxyde n'est pas inhibé. Si Si02 est supérieur à 60%, il se
forme des particules nocives très dures de silice sous forme de
trydimite ou de christobalite ou de quartz.
La teneur en MnO, comprise entre 5% et 50% permet d'abaisser
fortement le point de ramollissement du mélange d'oxydes contenant
notamment Si02, CaO, A1203 et favorise la création d'inclusions qui
restent dans un état vitreux dans les conditions de laminage de l'acier
selon l'invention.
Lorsque la teneur en Ca0 est supérieure à 30%, il se forme des
1o cristaux de Ca0-Si02 ou (Ca,MnlO-Si02.
Pour une teneur en Mg0 supérieur à 4%, il se forme des cristaux
de MgO; 2Mg0-Si02; Mg0-Si02; A1203-MgO, qui sont des phases
extrêmement dures.
Si A1203 est inférieur à 5%, il se forme des cristaux de
Is wollastonite et lorsque A1203 est supérieur à 25%, apparaissent des
cristaux de mullite, d'anorthite, de corindon, de spinelles notamment de
type A1203-Mg0 ou A1203-Cr203-Mg0-Mn0 ou bien encore
d'aluminates du type Ca0-6A1203 ou Ca0-2A1203 ou Ca0-A1203, ou
de gehlenite.
2o Avec plus de 4% de Cr203 apparaissant également des cristaux
durs de Cr203 ou A1203-Cr203-Mg0-Mn0 , Ca0-Cr203, Mg0-Cr203.
Selon une forme de l'invention la teneur en soufre doit être inférieure
ou égale à 50.10-4% pour obtenir des inclusions de sulfure d'épaisseur
ne dépassant pas 5 ,um sur produit laminé. En effet, les inclusions de
2s type sulfure de manganèse et de chrome sont parfaitement déformables
dans les conditions de l'invention.
Les inclusions de type oxyde et sulfure sont généralement
considérées comme néfastes vis à vis des propriétés d'emploi pour le
tréfilage en fil fin et pour la tenue en fatigue, notamment, en flexion
3o et/ou en torsion. II est usuel de caractériser la concentration en
inclusions de type oxyde et sulfure par l'observation d'une coupe polie
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en sens long de laminage sur un fil machine laminé à chaud de
diamètre compris entre 5 et 10 mm. On appelle propreté inclusionnaire
le résultat de cette caractérisation réalisée selon différentes normes en
fonction de l'utilisation finale.
s Pour une inclusion observée, sur coupe polie de fil laminé, on
mesure sa longueur et son épaisseur, puis on définit un facteur de
forme qui est le rapport de la longueur sur l'épaisseur. Pour une
inclusion qui s'est très bien déformée au cours des opérations de
laminage, le facteur de forme est en général très élevé, c'est à dire
lo pouvant atteindre 100 et plus, en conséquence, l'épaisseur de
l'inclusion est extrêmement faible. Au contraire, une inclusion qui ne se
déforme pas ou subit une faible déformation est caractérisée par un
facteur de forme peu élevé, c'est à dire de l'ordre de 1, donc,
l'épaisseur de l'inclusion reste élevée et du même ordre de grandeur
1s que la taille de l'inclusion originelle sur produit brut de coulée. En
conséquence, dans la suite de la description, on retient comme critère
de caractérisation simple et efficace vis à vis des propriétés d'emploi
du fil laminé, l'épaisseur de chaque inclusion observée sur le fil laminé.
Les figures 1 et 2 présentent respectivement sur une coupe polie
2o sens long de fil laminé de diamètre 5,5 mm, un exemple d'inclusions
très épaisses et peu déformées et un exemple d'inclusions fines et très
bien déformées contenues dans l'acier selon l'invention.
La figure 1 présente un exemple d'inclusions très épaisses et peu
déformées mises en évidence sur un fil laminé de 5,5 mm de diamètre.
25 La figure 2 présente un exemple d'inclusions trés bien déformées
mises en évidence sur un fil laminé de diamètre 5,5 mm
Ces dernières inclusions ne présentent pas de nocivité vis à vis
des applications de tréfilage fin en fil de diamètre inférieur à 0,3 mm ou
de pièces soumises à la fatigue telles que des ressorts, renforts de
3o pneumatique.
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II a été mis en évidence que l'ensemble des compositions ne
satisfont pas, de manière fiable, les caractéristiques acceptables pour la
réalisation de fil et pour des pièces soumises à fatigue. Selon la
sélection des compositions, aussi bien pour les éléments résiduels que
s pour la composition des inclusions après élaboration de l'acier il est
défini les critères de qualité inclusionnaire.
Le titane, le magnésium, le soufre, sont présents en quantités
résiduelles et pourraient ne pas être contenus dans la compasition de
l'acier et par delà, dans la composition des inclusions.
1o Les tableaux 1 et 2 suivants présentent des aciers montrant
l'influence de la composition de l'acier et de la composition des
inclusions d'oxydes sur l'aptitude au tréfilage et à la tenue en fatigue. II
a été choisie la composition de base suivante dite composition de
travail.
ts % C 0.072
N 0.052
Si 0,771
Mn 0,736
Cr 18,522
20 % Ni 8,773
Mo 0.210
Cu 0.310
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TABLEAU 1
ACIER 1 2 2 3 4 5 6
Ot ppm 17 39 39 53 87 123 71
AI ppm 11 5 5 8 7 5 7
Ca ppm 4 7 7 6 8 1 2
Mg ppm 2 1 1 1 2 0,8 0,4
Ti ppm 4 8 8 7 45 2 38
S ppm 71 47 47 61 27 41 53
nature des inclusions
%Si02 25,6 25,2 29,1 18,6 47,4 9
%Ca0 40,0 41,1 23,1 8,7 1,2 2,9
%Mn0 0,7 2,5 7,4 8,8 32,3 6,7
%A1203 21,1 28,1 71 27 8,1 7,2 8,8
%Mg0 12,0 2,6 26,5 4,5 2,6 1,1 0,8
%Cr203 0,1 1,6 6 8,7 7,5
%Ti02 0,5 3 7,1 44,9 2,1 56,3
TABLEAU 2
ACIER 7 8 9 10 11 12
Ot ppm 71 95 53 113 43 68
AI ppm 4 5 3 5 3 3
Ca ppm 3 5 3 5 3 2
Mg ppm 0,3 0,4 0,3 0,5 0,2 0,2
Ti ppm 2 1 2 3 1 2
S ppm 13 33 24 38 21 45
nature des inclusions
%Si02 41,2 47,5 41 48,9 40,9 42,4
%Ca0 14,1 10,1 25,6 7,5 29,2 10,4
%Mn0 18,3 24,7 10.2 28,1 7,8 15,6
%AI203 17,9 11,6 16,5 8 17,7 23,2
%Mg0 1,7 1,0 3,1 0,6 2,5 1,6
%Cr203 4 3,8 2 3,6 1,4 3,3
%Ti02 2,9 1,3 1,6 3,4 0,5 3,5
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Le tableau 1 présente des compositions d'aciers considérées de
qualité médiocre dans le domaine de l'aptitude au tréfilage et celle de la
tenue en fatigue. Le tableau 2 présente des compositions d'acier selon
l'invention ayant une propreté inclusionnaire générant une qualité
remarquable dans les deux domaines en question.
