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CA 02314624 2000-07-06
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PROCEDE DE FABRICATION DE BANDES EN ALLIAGE FER - CARBONE -
MANGANESE, ET BANDES AINSI PRODUITES
L'invention concerne la fabrication de bandes d'alliages ferreux. Plus
précisément, elle concerne la fabrication de bandes en alliage fer-carbone-
manganèse par
coulée directe sous forme de bandes minces.
On connaît depuis longtemps les aciers Hadfield Fe-Mn (11 à 14%)-C (1,1 à
1,4%) qui peuvent être qualifiés d' aciers à forte teneur en manganèse . Ils
présentent la
particularité d'avoir une résistance très élevée et une capacité de
durcissement sous l'effet
de chocs ou de frottements répétés. On con.naît également les aciers
austénitiques du type
Fe-Mn (15 à 35%)-Al (0 à 10%)-Cr (0 à 20%)-C (0 à 1,5%) qui dérivent
simultanément des
aciers Hadfield et des aciers inoxydables austénitiques Fe-Cr-Ni dont on a
progressivement
remplacé le nickel par du manganèse et le chrome par de l'aluminium. Ces
aciers à forte
teneur en manganèse se caractérisent par une forte capacité d'écrouissage qui
leur permet
d'associer un haut niveau de résistance à une excellente ductilité. On peut
donc les utiliser
avec profit pour la fabrication d'éléments de renfort fabriqués par
emboutissage pour
l'industrie automobile. C'est au maclage mécanique, assisté éventuellement par
la
transformation martensitique y--> e que ces aciers doivent leur grande
capacité
d'écrouissage. En se propageant, les macles facilitent la déformation
plastique, mais en se
faisant mutuellement obstacle, elles contribuent aussi à l'augmentation de la
contrainte
d'écoulement.
Divers documents traitent de la composition et de la fabrication de tels
aciers à
très forte teneur en manganèse, par exemple WO 93/13233, WO 95/26423, WO
97/24467.
Ces aciers ont toujours, jusqu'à présent, été fabriqués par la filière
classique coulée
continue de brames d'épaisseur 200 mm environ - laminage à chaud - laminage à
froid -
recuit - décapage - skin-pass. Cette filière présente essentiellement trois
inconvénients.
D'abord son coût, lié à l'utilisation d'un train à bandes qui est une
installation nécessitant
un investissement très élevé et consommant beaucoup d'énergie, puisqu'il est
nécessaire de
fortement réchauffer les brames avant de les laminer. Ensuite l'existence d'un
risque de
fissuration à chaud de la bande lors de ce réchauffage, pendant lequel se
forme également
une épaisse couche de calamine qui est défavorable aussi bien à la qualité de
surface du
produit qu'au rendement métallurgique du process de fabrication. Enfin, dans
l'ensemble,
il s'agit d'une filière de fabrication longue, ne permettant pas toujours de
réagir
promptement à une demande pressante de la part d'un client.
Le but de l'invention est de proposer une méthode de fabrication de bandes
d'alliages ferreux à forte teneur en manganèse plus rapide et moins coûteuse
que la
méthode classiquement connue, et permettant d'obtenir des produits d'au moins
aussi
bonne qualité que par cette précédente méthode.
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A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production de bandes en
alliage
fer-carbone-manganèse, selon lequel :
- on coule sur une machine de coulée une bande mince d'épaisseur 1,5 à 10 mm
directement à partir d'un métal liquide de composition en pourcentages
pondéraux : C
compris entre 0,001 et 1,6% ; Mn compris entre 6 et 30%, Ni < 10% et avec (Mn
+ Ni)
compris entre 16 et 30%; Si 5 2,5% ; Al <_ 6% ; Cr <_ 10% ; (P + Sn + Sb + As)
< 0,2% ; (S
+Se+Te)<_0,5%;(V+Ti+Nb+B+Zr+terresrares)_3%;(Mo+W)<0,5%;NS
0,3% ; Cu <_ 5% ; le reste étant du fer et des impuretés résultant de
l'élaboration ;
- on lamine à froid ladite bande à un taux de réduction compris entre 10 et
90% en
une ou plusieurs étapes ;
- et on effectue un recuit de recristallisation de ladite bande.
L'invention concerne également une bande susceptible d'être produite par ce
procédé.
Comme on l'aura compris, l'invention repose en premier lieu sur l'utilisation
d'un
procédé de coulée du métal liquide directement sous forme d'une bande de
faible
épaisseur. Celle-ci peut éventuellement subir un laminage à chaud en ligne au
moyen d'une
installation de faible dimension, dont le coût de fabrication et d'utilisation
est très inférieur
à celui d'un train à bandes. De plus, la suppression du laminage à chaud sur
un train à
bandes élimine les risques de fissuration à chaud lors du réchauffage dont on
a parlé.
Suivent ensuite des opérations de laminage à froid, recuit et éventuellement
skin-pass, dont
l'exécution selon les modalités qui seront précisées permet d'obtenir les
propriétés du
produit souhaitées.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui-suit.
Le procédé de coulée directe de bandes minces d'acier de 1,5 à 10 mm
d'épaisseur
est aujourd'hui bien connu, notamment sous sa forme dite coulée entre
cylindres .
L'acier liquide se solidifie contre les parois latérales de deux cylindres
horizontaux
rapprochés, refroidis intérieurement et mis en rotation en sens inverses, et
ressort sous les
cylindres sous forme d'une bande solidifiée. Celle-ci peut être directement
bobinée, puis
envoyée aux installations de traitement à froid, ou subir un laminage à chaud
en ligne avant
le bobinage. Selon l'invention, l'utilisation d'un tel procédé permet de
raccourcir la filière
de fabrication des bandes d'acier à haute teneur en manganèse grâce à la
suppression du
passage au train à bandes, alors que ce passage est nécessaire dans la filière
classique
débutant par la coulée de brames. Cette suppression est d'autant plus
avantageuse que les
aciers austénitiques à forte teneur en manganèse se caractérisent par
l'absence de
transformation de phase au cours de leur refroidissement. En effet, l'une des
fonctions
classiques du laminage à chaud des aciers ferritiques, au carbone ou
inoxydables, est
l'affmement de la microstructure juste avant que ne se produise la
transformation de phase.
Mais les aciers à haute teneur en manganèse qui offrent le meilleur compromis
résistance-
ductilité à la température de mise en forme sont complètement austénitiques,
du moins
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avant déformation, depuis leur solidification jusqu'à la fin de leur
refroidissement. Donc le
laminage à chaud des aciers austénitiques à forte teneur en manganèse n'a pas
un intérêt
métallurgique important. Sa fonction se limite à une simple réduction
d'épaisseur du
produit pour obtenir une bande susceptible d'être laminée à froid. Dans leur
cas, il n'y a
donc pas d'inconvénient à obtenir par coulée de bandes minces une bande
d'épaisseur
relativement proche de son épaisseur finale, sous réserves que ladite bande
soit exempte de
porosités centrales après sa coulée. Un léger laminage à chaud en ligne, tel
qu'on le décrit,
est suffisant pour refermer ces éventuelles porosités.
L'invention s'applique à la fabrication d'aciers à haute teneur en manganèse
qui
ont la composition suivante, les pourcentages étant des pourcentages pondéraux
:
- leur teneur en carbone est comprise entre 0,001 et 1,6%, préférentiellement
comprise entre 0,2 et 0,8% ; une teneur inférieure à 0,2% oblige à procéder à
une
décarburation du bain d'acier liquide qui peut être coûteuse à réaliser, en
particulier lorsque
le manganèse est déjà présent en quantité importante ; de plus, cette teneur
minimale de
0,2% permet d'obtenir une interaction entre le carbone et les dislocations :
le carbone, en
bloquant les dislocations, permet un durcissement supplémentaire par rapport
au maclage,
et permet d'améliorer la résistance. à la traction de 50 à 100 Mpa ; une
teneur supérieure à
0,8% rend plus délicate l'optimisation des teneurs en autres éléments
d'alliage en vue de
l'obtention des propriétés mécaniques les plus favorables ;
- leur teneur en manganèse est comprise entre 6 et 30%, sachant que le total
de
leurs teneurs en manganèse et nickel est compris entre 16 et 30% et que leur
teneur en
nickel peut aller jusqu'à 10% ;
- leur teneur en silicium peut aller jusqu'à 2,5%, sachant que cet élément
n'est
qu'optionnel ;
- leur teneur en aluminium est inférieure à 6% sachant que cet élément n'est
qu'optionnel ;
- si du chrome est présent, la teneur en chrome est au maximum de 10% ;
- leur teneur en phosphore peut aller jusqu'à 0,2%, sachant que l'étain,
l'antimoine
et l'arsenic éventuellement présents sont, de ce point de vue, assimilables au
phosphore et
comptabilisés avec lui dans la composition de l'acier ; au-delà, on risque
d'obtenir des
défauts dans les zones ségrégées de la bande ; ces défauts seraient provoqués
par des
retards à la solidification là où se trouvent des ségrégations ; si on lamine
à chaud alors que
du métal à l'état liquide est encore présent par endroits dans le produits, il
y a, de ce fait, un
risque de décohésion de la microstructure ;
- le total de leurs teneurs en soufre, sélénium et tellure peut aller jusqu'à
0,5% ;
- le total de leurs teneurs en vanadium, titane, niobium, bore, tantale et
zirconium
et terres rares, qui précipitent les nitrures et carbonitrures, peut aller
jusqu'à 3% ;
- le total de leurs teneurs en molybdène et tungstène peut aller jusqu'à 0,5%
;
- leur teneur en azote peut aller jusqu'à 0,3%.
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Selon l'invention, un acier à très forte teneur en manganèse présentant une
composition telle que précédemment définie (un exemple typique d'une telle
composition
est Fe - C : 0,55% - Mn : 21,5%) ést coulé sous forme de bandes minces
d'épaisseur 1,5 à
mm, directement à partir de métal liquide. A cet effet, la coulée entre
cylindres de
5 bandes d'épaisseur de l'ordre de 3 à 4 mm est particulièrement adaptée à la
mise en ceuvre
du procédé selon l'invention.
A sa sortie des cylindres, la bande traverse, de préférence, une zone telle
qu'une
enceinte inertée par une insufflation de gaz, où elle est soumise à un
environnement non
oxydant (atmosphère neutre d'azote ou d'argon, voire une atmosphére comportant
une
1o certaine proportion d'hydrogène pour la rendre réductrice), afin d'éviter
ou de limiter la
formation de calamine à sa surface. On a vu que les aciers du type coulé
étaient
particulièrement sensibles à la formation de calamine, et il est moins
difficile de limiter
cette formation sur des bandes minces coulées directement à partir de métal
liquïde que sur
des brames épaisses devant être coulées sur une installation de coulée
continue classique,
puis réchauffées avant leur laminage à chaud. En sortie de cette zone
d'inertage on peut
également placer un dispositif de décalaminage de la bande par projection de
grenailles ou
de C02 solide sur sa surface ou par brossage, afm d'éliminer la calamine qui
aurait pu se
former malgré les précautions prises. On peut également choisir de laisser se
former la
calamine de façon naturelle sans chercher à inerter l'atmosphère environnant
la bande, puis
d'éliminer cette calamine par un dispositif tel qu'on vient de le décrire.
Autant que possible immédiatement après la sortie de la bande de
l'installation
d'inertage ou de décalaminage a lieu, de préférence, un laminage à chaud en
ligne de cette
même bande. Il n'est, cependant, pas obligatoire dans le cas où la bande
serait d'emblée
satisfaisante en termes de porosités et d'état de surface. C'est en grande
partie ce laminage
qui justifie les mesures prises préférentiellement pour éviter ou limiter la
formation de
calamine, et/ou pour éliminer la calamine qui aurait pu se former. En effet,
effectuer ce
laminage à chaud sur une bande calaminée pourrait conduire à des incrustations
de
calamine dans la surface de la bande, qui détérioreraient sa qualité de
surface. Le rôle
essentiel de ce laminage à chaud est de refermer les porosités susceptibles
d'avoir été
formées au coeur de la bande lors de sa solidification, et d'améliorer son
état de surface en
écrasant les pics de-rugosité éventuellement présents à la surface de la
bande, en particulier
lorsque des cylindres de coulée à rugosité élevée ont été utilisés. Le taux de
réduction
minimal à appliquer à la bande lors de ce laminage à chaud est de 10% si on
veut refermer
correctement les porosités, typiquement de 20%. Un taux allant jusqu'à 60%
(obtenu en
une ou plusieurs étapes) est cependant envisageable, en particulier si on a
affaire à une
bande présentant une forte rugosité de surface, ou si on désire obtenir un
produit final
présentant une très faible épaisseur. La température à laquelle est effectuée
ce laminage à
chaud est sans grande importance du point de vue métallurgique, puisque, comme
on l'a
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dit, l'acier a une structure austénitique à toute température et ne subit donc
pas de
transformation de phase qui pourrait influer sur le résultat qualitatif du
laminage à chaud.
Après ce laminage à chaud éventuel mais préférentiel, la bande peut
éventuellement être bobinée, là encore à une température qui n'a guère
d'importance autre
5 que pratique, puisqu'aucune transformation métallurgique notable autre
qu'une croissance
des grains n'est susceptible de se produire pendant la période où la bande
bobinée se
refroidit à faible vitesse. La croissance des grains n'aura, de toute façon,
qu'une ampleur
limitée, dont les effets seront faciles à annuler par les opérations de
lamiinage à froid et de
recuit qui suivront. Eventuellement, le séjour de la bande sous forme de
bobine peut être
l'occasion de parachever la précipitation des carbures, nitrures et
carbonitrures.
La bande coulée puis éventuellement laminée à chaud subit ensuite (directement
ou après une opération de bobinage-débobinage) un laminage à froid,
préférentiellement
précédé d'un décapage acide (par exemple à l'acide chlorhydrique) permettant
d'assurer
l'obtention d'un bon état de surface de la bande. Le taux de réduction
appliqué lors de ce
laminage à froid est de 10 à 90%, typiquement de l'ordre de 75%. Il est obtenu
en une ou
plusieurs étapes. Si on est parti d'une bande coulée de 3 à 4 mm d'épaisseur,
que l'on a
réduite à 2,5 à 3 mm d'épaisseur après laminage à chaud, on se retrouve
typiquement avec
une bande laminée à froid dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,6-0,8 mm.
La bande subit ensuite un recuit de recristallisation qui doit lui conférer
des
caractéristiques de résistance à la traction et de ductilité élevées. Ce
recuit peut être
effectué de différentes manières, à savoir par exemple :
- un recuit dit recuit compact où la bande est chauffée jusqu'à une
température
de 900 à 1000 C, voire 1100 C, à une vitesse d'environ 500 C/s, puis est
immédiatement
refroidie à une vitesse comprise entre 100 et 6000 C/s, qui est fonction de
l'épaisseur de la
bande et des caractéristiques du fluide de refroidissement ; typiquement, une
bande de 0,8
mm d'épaisseur chauffée à 1000 C se refroidit à 200 C/s si elle est trempée à
l'hélium et à
5000 C/s si elle est trempée à l'eau ;
- un recuit continu où la bande est portée entre 800 et 850 C, et maintenue à
cette
température pendant 60 à 120 s environ ;
- un recuit base où la bande est maintenue entre 700 et 750 C pendant 10 à 90
mn
énviron ;
Dans tous les cas, on obtient, dans l'exemple considéré, une taille des grains
recristallisés inférieure à 10 m. De manière générale, on peut dire que les
aciers à haute
teneur en manganèse concernés par l'invention tolèrent une grande variation
des conditions
de recuit, en raison de leur forte teneur en éléments d'alliage qui freine la
croissance des
grains.
On a regroupé dans le tableau 1 les caractéristiques de traction obtenues sur
un
acier de composition C = 0,57%, Mn = 21,47%, Si = 0,038%, Ni = 0,03%, Cr =
0,005%,
Cu = 0 003%, P = 0,009%, N = 0,034%, S = 0,005%, A1= 0,003%, Mo = 0,003%,
ayant
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subi un traitement selon l'invention tel qu'exposé précédemment, comprenant la
coulée
entre cylindres d'une bande de 4 mm d'épaisseur, un laminage à chaud de cette
bande
jusqu'à 2,6 mm d'épaisseur, un laminage à froid jusqu'à 1 mm d'épaisseur, et
enfm un
recuit continu de 90 s à 800 C. A titre de comparaison, figurent également
dans le tableau
1 les caractéristiques de traction d'un acier de référence obtenu par un
procédé classique de
fabrication de bandes d'acier à haute teneur en manganèse de composition C =
0,53%, Mn
= 26,4%, Si = 0,045%, P = 0,013%, Al = 1,6%, N = 0,074%, comparable à celles
décrites
dans le document WO 93/13233. Les caractéristiques de traction ont été
mesurées
parallèlement à la direction de laminage.
Invention Référence
Module d'Young (GPa) 197 187
Limite d'élasticité R a a 571 441
Résistance maximale (Nga) 1152 881
Allongement réparti (%) 53,1 52,8
Allongement à la rupture (%) 62,5 57,6
Coefficient d'écrouissage 0,45 0,51
Coefficient d'anisotro ie 1 0,96
Tableau 1: Caractéristiques de traction comparées d'un acier selon l'invention
et d'un
acier de référence
Ce tableau montre notamment que la résistance mécanique est améliorze de plus
de 30% sur l'acier de l'invention par rapport à l'acier de référence. La
dispersion des
résultats est inférieure à 4%. Cette amélioration de la résistance mécanique
ne
s'accompagne pas d'une diminution de la ductilité, bien au contraire, puisque
l'allongement à la rupture est, lui aussi, considérablement augmenté.
Le process d'élaboration de la bande peut s'arrêter après le recuit (après un
éventuel décapage de la bande recuite), ou être complété de manière classique
par un
passage au skin-pass effectué selon des modalités habituelles.
