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CA 02409595 2002-10-31
Acier inoxydable ferritique au soufre utilisable pour des pièces
ferromagnétiques.
La présente invention concerne un acier inoxydable ferritique au soufre
utilisable pour des pièces ferromagnëtiques.
Les aciers inoxydables ferritiques se caractérisent par' une composition
déterminée, la structure ferritique étant notamment assurée, après laminage et
refroidissement de la composition, par un traitement thermique de recuit leur
conférant ladite structure.
Parmi les grandes familles d'aciers inoxydables ferritiques, définies
notamment en fonction de leur teneur en chrome et en carbone, nous citons
les aciers inoxydables ferritiques pouvant contenir jusqu'à 0,17% de carbone.
Ces aciers, après le refroidissement qui suit leur élaboration, ont une
structure
biphasée austéno-ferritique. lls peuvent cependant être transformés en aciers
inoxydables ferritiques après recuit malgré une teneur en carbone élevée.
- les aciers inoxydables ferritiques dont la teneur en chrome et de l'ordre de
11
ou 12 %. lis sont assez proches des aciers martensitiques contenant 12 % de
chrome, mais différents par leur teneur en carbone qui est relativement
faible.
Lors du laminage des aciers à chaud, la structure de l'acier peut être
biphasée, ferritique et austénitique. Si le refroidissement est, par exemple
énergique, la structure finale est ferritique et martensitique. S'il est plus
lent,
l'austénite se décompose partiellement en ferrite et carbures, mais avec une
teneur
en carbure plus riche que la matrice environnante, l'austénite ayant
solubilisé à
chaud plus de carbone que la ferrite. Dans les deux cas, un revenu ou recuit
doit
donc être pratiqué sur les aciers laminés à chaud et refroidis pour générer
une
structure totalement ferritique. Le revenu peut se faire à une température
d'environ
820°C inférieure à la température Ac1 de transition alpha -~ gamma, ce
qui
engendre une précipitation de carbures.
Dans le domaine des aciers ferritiques destinés à une application utilisant
des
propriétés magnétiques, la structure ferritique est obtenue en limitant la
quantité de
carbures, c'est pour cela que les aciers inoxydables ferritiques, développés
dans
ce domaine, ont une teneur en carbone inférieure 0,03%.
II est connu des aciers utilisables pour leurs propriétés magnétiques comme
par e xemple dans le document ~JS 5 759 974 qui décrit un procédé de
fabrication
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z
d'un acier ferritique résistant à fa corrosion et pouvant réduire la valeur du
champ
coercitif dudit acier. Les domaines de composition présentés sont très larges
et ne
définissent pas un domaine d'optimisation des propriétés nécessaires aux
applications pour pièces ferromagnétiques. L'acier utilisé dans le procédé est
un
acier du type resulfuré. L'acier obtenu par le procédé qui contient du soufre
est
cependant sensible à la corrosion.
II est connu aussi le brevet US 5 091 024 dans lequel il est présenté des
arücles magnétiques résistant à la corrosion formés d'un alliage consistant
essentiellement en une composition à faible teneur en carbone et faible teneur
en
silicium, c'est-à-dire respectivement inférieures à 0,03% et 0,5%. Or, dans le
domaine magnétique, il est important que l'acier contienne une forte teneur en
silicium pour augmenter la résistivité du matériau et réduire les courants de
Foucauit.
!l est également connu le brevet FR 94 06 590 concernant un acier ferritique
pour une application dans fe domaine du décolletage pour une usinabilité
améliorée, mais les domaines de composition présentés sont très larges et ne
définissent pas un domaine d'optimisation des propriétés nécessaires aux
applications pour pièces ferromagnétiques.
La présente invention a pour but de présenter un acier inoxydable de
structure ferritique au soufre, utilisable pour des pièces magnétiques ayant
de
hautes propriétés magnétiques et présentant de très bonnes propriétés
d'usinabilité et de rësistance à la corrosion.
L'invention a pour objet un acier inoxydable ferritique au soufre utilisable
pour
des pièces ferromagnétiques qui se caractérise en ce qu'il comprend dans sa
composition pondérale
C <_ 0,030%
1,0% < Si _< 3%
0,1% < Mn <_ 0,5%
10% < Cr < 13%
0% < hli <1
0,03 < S < 0,5%
0% < P <_ 0,030%
a,z% < Mo <_ 2%
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3
0% <Cu S 0,5%
0% < hl 5 0,030%
0% <T! <_ 0,5%
0% <Nb <_ 1 %,
0% < AI <_ 100.10-°%
30.10-4% < Ca _< 100.10'4%
50.10-4% < O _5150 10~%
- le rapport entre la teneur en calcium et en oxygéne Ca/0 étant
0,3<_CalO<_ 1,
le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
Les autres caractéristiques de l'invention sont : ,
- l'acier contient des inclusions de silico-aluminate de chaux de type
anorthite etlou pseudo-wollastonite etlou gehlénite, associées à des
inclusions du type sulfure de chrome et manganèse.
- de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur
en silicium comprise entre 1,5% et 2%.
- de préférence !'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur
en chrome comprise entre 11,8% et 13%.
de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur
en soufre comprise entre 0,10% et 0,5%, de façon plus particulièrement
préférëe entre 0,10 et 0,30°!°.
- de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur
en moiybdène comprise entre 0,4% et 1 %.
- de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale une teneur
en manganèse inférieure ou égale à 0,3%.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce formée
dans un acier ferritique dont ta composition pondérale est confirme à
l'invention et
peut être soumise, après laminage à chaud et refroidissement, à une
modification
de section du type tréfilage ou étirage,soit après un traitement thermique
facultatif
de recuit soit sans traitement thermique de recuit.
L'acier tréfilé ou étiré peut être ultérieurement soumis à un recuit
complémentaire de recristallisation pour partaire les propriétés magnétiques
de la
pièce.
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La description qui suit et la figure unique, le tout donné à titre d'exemple
non
limitatif, feron bien comprendre l'invention.
La figure unique présente un diagramme ternaire donnant la composition
générale des inclusions d'aluminosilicates de chaux.
L'invention concerne un acier de composition générale suivante
C _< 0,030%
1,0% < Si _< 3%
0,1% < Mn _< 0,5%
10% < Cr 5 13%
0%<Ni<1%
0,03 < S < 0,5%
0% < P S 0,030%
0,2% < Mo <_ 2%
0% < N <_ 0,030%
0% <Ti 5 0,5%
0% <Nb <_ 1 %,
0% < AI 5 100.10%
30.10-4% < Ca _< 100.10%
50.10-4%<O<_15010'~%
le reste étant du ter et les impuretés inévitables à I'élabor ation de
l'acier.
Les compositions ainsi définies avec des fourchettes serrées permettent
d'obtenir les propriétés nécessaires aux applications pour pièces
ferromagnétiques.
Du point de vue métallurgique, certains éléments contenus dans la
composition d'un acier favorisent l'apparition de Ia phase ferritique de
structure
cubique centrée. Ces éléments sont dits alpha-gènes. Parmi ceux-ci figurent
notamment le chrome et le molybdéne. D'autres éléments dits gamma-gènes
favorisent l'apparition de la phase gamma-austénitique de structure cubique à
faces
centrées. Parmi ces éléments figurent le nickel ainsi que le carbone et
l'azote. II est
donc nécessaire de réduire la teneur de ces éléments et c'est pour ces raisons
que
l'acier selon l'invention comporte dans sa composition moins de 0,030% de
carbone, rnoins de 1 % de nickel, moins de 0,030% d'azote.
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Le carbone est néfaste pour la corrosion et l'usinabilité. De manière générale
les précipités doivent être réduits car ils constituent, du point de vue des
propriétés
magnétiques, un obstacle aux mouvements des parois de Blocks.
Concernant les autres éléments de la composition, le nickel, le manganèse,
5 dus à l'élaboration industrielle de l'acier ne sont que des éléments
résiduels qu'on
cherche à réduire et même à éliminer.
Le titane et ou le niobium forment des composés dont le carbure de titane et
ou de niobium, ce qui évite la formation de carbures et de nitrures de chrome.
Ils
favorisent, de ce fait, la tenue à la corrosion et notamment la tenue en
corrosion
des soudures, lorsqu'une soudure est nécessaire à l'élaboration d'une piëce
magnétique.
Le soufre sous forme de sulfures favorise le fractionnement des copeaux et
améliore la durée de vie des outils d'usinage. Cependant, sous forme de
sulfure de
manganèse, il dégrade les propriétés de résistance à la corrosion. Introduit
sous
forme de sulfure de chrome manganèse avec chrome majoritaire, l'action
favorable
sur l'usinabilité est conservée et L'effet défavorable sur la résistance à Ia
corrosion
est fortement atténuée.
Le silicium est nécessaire pour augmenter ta résistivité de l'acier afin de
réduire les courants de Foucault ; ü est favorable pour la tenue à la
corrosion. Une
teneur supérieure à 1,5% est préférable.
Les aciers selon l'invention peuvent également contenir de 0,2% à 2% de
molybdène, élément améliorant la résistance à fa corrosion et favorisant la
formation de la ferrite.
Dans le domaine de leur utilisation, les aciers inoxydables ferritiques posent
des problèmes d'usinabilité.
En effet, un gras inconvénient des aciers ferritiques est la mauvaise
conformation du copeau. Ifs produisent des copeaux longs et enchevêtrés, qui
sont
très difficiles à fragmenter. Cet inconvénient peut devenir très pénalisant
dans des
modes d'usinages où le copeau est confiné, comme par exemple dans le perçage
profond, le tronçonnage.
Selon l'invention, une solution pour pallier les problèmes d'usinage des
aciers
ferritiques est d'introduire du soufre dans leur composition. Selon
l'invention, !'acier
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ïnoxydable ferritique au soufre contient, en outre, dans sa composition, en
poids,
plus de 30 10-4% calcium et plus de 50 10-4% d'oxygëne.
L'introduction de façon contrôlée et volontaire de calcium et d'oxygène
vérïfiant la relation 0,3 _< Ca/0 _< 1 favorise dans l'acier ferritique, la
formation
- d'oxydes malléables du type silicoaluminates de chaux comme présenté sur la
figure 1 qui est un diagramme ternaire AI203 ; Si02 ; CaO, les oxydes
malléables
étant choisis dans la zone du point triple anorthite, gehienite, pseudo-
wollastonite.
La présence de calcium et oxygène réduit de façon conséquente la formation
des inclusions dures et abrasïves de type chromite, alumine, silicate. Par
contre, la
présence dans l'acier selon l'invention, d'inclusions de silicoaluminates de
chaux
favorise le fractionnement des copeaux et améliore la durée de vie des outils
de
coupe.
On a constaté que l'introduction d'oxydes à base de calcium dans un acier de
structure ferritique, en remplacement des oxydes durs existants, ne modifie
que
très peu les caractéristiques de l'acier ferritique dans le domaine des
propriétés
magnétiques.
La faible teneur en manganèse favorise la formation d'inclusions de sulfure de
manganèse et chrome dans lesquelles le chrome est majoritaire ou prépondérant,
ce qui améliore fortement la résistance à la corrosion par pïqure en milieu
chloruré.
La présence d'oxydes et sulfures dits mallëables dans un acier ferritique,
entraîne également, des avantages dans le domaine du tréfilage et étirage.
En effet, les inclusions malléables sont susceptibles de se déformer dans le
sens du laminage, alors que les oxydes durs restent en forme de grains.
Dans le domaine du tréfilage de fils d'acier ferritique de faible dïamètre,
les
inclusions choisies selon l'invention réduisent de manière conséquente le taux
de
casse du fil tréfilé.
Dans un autre domaine d'application, par exemple dans des opérations de
polissage, les inclusions dures s'incrustent dans l'acier ferritique et
provoquent des
sillons en surface.
L'acier ferritique, selon l'invention comportant des inclusions malléables de
silicoaluminafies de chaud associées à des sulfures manganèse-chrome, peut
être
poli avec beaucoup plus d'aisance pour l'obtention d'un état de surface poli
amëlioré.
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L'acier peut ëtre élaboré par fusion électrique puis coulé en continu pour
former des blooms.
Les blooms sont ensuite soumis à un laminage à chaud pour la formation, par
exemple de fil machine ou de barres.
Un recuit peut être pratiqué pour assurer les opérations de transformation à
froid du produit par exemple tréfilage et étirage, mais il n'est pas
indispensable.
L'acier peut être soumis à un recuit complémentaire de recristallisation pour
restaurer et parfaire les propriétés magnétiques. Suit alors un traitement de
surface.
Dans un exemple d'application, il a été élaboré trois aciers selon l'invention
référencés acier 1, acier 2 et acier 3, ainsi que quatre aciers de référence A
B C et
D dont les compositions sont représentées dans le tableau 1 suivant
Tableau 1
C Cr Si Mo Mn P N S Ni Cu Ti Nb Ca O
Acier 0,01112,21,60,470,220,0150,0070,1800,1060,080,0030,0020,00510,0067
1 !
Acier 0,00912,51,70,550,230,0140,0080,2100,0880,050,002O,D020,00530,0076
2
Acier 0,01112,21,60,470,220,0150,0070,1800,106O,DB0,0030,0020,00510,0067
3
RefA 0,01517,41,250,350,5 0,020,020,280,3 0,10,0030,0020,0020,006
Ref 0,01617,5,1,371,530,380,0180,0170,277X0,290,060,0030,0030,00170,007
B
Ref 0,01111,91,4710,490,220,0150,0070,0290,1260,060,0030,0020,00620,012
C
Ref 0,01112,20,810,3110,470,0180,010,290,130,070,0030,0030,00120,0052
D ~
Ces aciers ont été transformés en barres de diamètre 10 mm selon le
procédé suivant
- un laminage à chaud de rond de 11 rnm,
- un recuit, excepté pour l'acier 3,
- un ëtirage en diamètre de 10 mm,
- un recuit final,
un dressage et une rectification,
puis ils ont été caractérisés en propriétés magnétiques en usinabilité et en
corros;on.
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ô
Les aciers 1, 2 et 3 selon l'invention ont de meilleures caractéristiques
magnétiques que les aciers de référence A, B et D, comme présenté sur le
tableau
2 suivant,
Tableau 2
Acier Hc(Alm) permabilit
Champ coercitifrelative Nr
Acier 117 2300
1
Acier 120 2200
2
Acier 125 2100
3
Ref A 184 1200
Ref B 177 1300
Ref C 115 2100
Ref D ~ 140 ~ 1600
Ces caractéristiques sont dues à une faible teneur en éléments d'addition en
particulier une teneur en chrome d'environ 12% ainsi qu'à une teneur
relativement
modérée en soufre.
Les aciers 1, 2 et 3 ont un excellent comportement en usinage par
décolletage, grâce à la combinaison de la teneur en soufre et de la présence
d'inclusions de silicoaluminates de chaux due aux teneurs en calcium et
oxygène.
Les aciers 1, 2 et 3 se comportent bien dans le domaine de la corrosion,
malgré leur faible teneur en chrome, comme on peut le remarquer sur le tableau
3
suivant, grace à leur teneur relativement limitée en soufre alliée à une
teneur basse
en manganèse favorisant la présence de sulfures riches en chrome.
Tableau 3
Potentiel de piqureI corrosion dans
dans H2S04 2M 23C
NaCI 0.02M 23C
Acier 180 mV l ECS 20 mAlcmz
1 ~
Acier 175 mV / ECS 17 mAlcm2
2 ~
Acier 180 mV I ECS t 20 mAlcm~
3 ~
Rf A 205 mV I ECS [ 24 mAlcm2
~ ~
Rf B 330 mV I ECS 6 mAlcm2
Rf C ~ ? 15 mV / ECS 11 mA/cm~
~J
Rf D 150 mV I ECS ~ 40 mAlcm2
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9
En résumé, l'acier selon l'invention est défini avec des fourchettes
analytiques
serrées, pour optimiser des propriétés souvent incompatibles : excellentes
propriétés en magnétisme et usinage, tout en ayant un bon comportement en
corrosion grace à leur teneur relativement limitée en soufre, compensée pour
!'usinabilité, par leur teneur en calcium et oxygène et la présence
d'inclusions de
süicoaluminates de chaux, alliée à une teneur basse en manganèse favorisant la
présence de sulfures riches en chrome.
L'acier, selon l'invention, est utilisable particulièrement pour la
fabrication de
pièce ferromagnétique comme par exemple, des pièces d'électrovannes,
d'injecteur pour système d'injection directe d'essence, de fermetures
centralisées
de porte dans le domaine de l'automobile ou toute application nécessitant des
pièces du type noyau magnétique ou inducteur. Sous ta forme de feuille, i1
peut
être utilisé dans des transformateurs de courant ou des blindages magnétiques.
