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CA 02506349 2011-10-07
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PROCEDE POUR FABRIQUER UNE TOLE EN ACIER RESISTANT A
L'ABRASION ET TOLE OBTENUE
La présente invention est relative à un acier résistant à l'abrasion et à son
procédé de fabrication.
On connaît des aciers à haute résistance à l'abrasion dont la dureté est
d'environ 600 Brinell. Ces aciers contiennent de 0,4% à 0,6% de carbone et de
0,5%
à 3% d'au moins un élément d'alliage tel que le manganèse, le nickel, le
chrome et le
molybdène et ils sont trempés pour avoir une structure entièrement
martensitique.
Mais ces aciers sont très difficiles à souder et à découper. Pour remédier à
ces
inconvénients, on a proposé, notamment dans EP 0 739 993, d'utiliser pour les
mêmes usages, un acier moins dur, dont la teneur en carbone est d'environ
0,27% et
ayant une structure trempée contenant une quantité significative d'austénite
résiduelle. Mais ces aciers restent cependant difficiles à souder ou à
découper.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients, en
proposant une tôle en acier résistant à l'abrasion dont la résistance à
l'abrasion est
comparable à celle des aciers connus mais dont l'aptitude au soudage et au
découpage thermique est meilleure.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour fabriquer une pièce
résistant à l'abrasion dont la composition chimique comprend, en poids:
0,24% C < 0,35%
0%Si2%
0% S AI 2%
0,5%<_Si +AI <_2%
0%<_Mn2,5%
M Ni 5%
0%<_Cr<_5%
0%Mo<_1%
0%<_W_<2%
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0,1%<_Mo+W/2<_1%
0%:g B _< 0,02%
0%<_Ti<_1,1%
0%<_ Zr _ 2,2%
0,5% < Ti + Zr/2<_1,1%
0%_<S<_0,15%
N < 0,03%
éventuellement jusqu'à 1,5% de cuivre,
- éventuellement au moins un élément pris parmi Nb, Ta et V en des teneurs
répondant à la formule Nb/2 + Ta/4 + V< 0,5%,
- éventuellement au moins un élément pris parmi Se, Te, Ca, Bi, Pb en des
teneurs
inférieures ou égales à 0,1 %,
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la
composition
chimique satisfaisant les relations suivantes:
C* = C - Ti/4 - Zr/8 + 7xN/8 >_ 0,095%
et:
1,05xMn + 0,54xNi +0,50xCr + 0,3x(Mo + W/2)1/2 + K > 1,8
avec K = 0,5 si B >_ 0,0005% et K = 0 si B < 0,0005%,
selon lequel on soumet la tôle à un traitement thermique de trempe, effectué
dans la
chaude de mise en forme à chaud ou après austénitisation par réchauffage dans
un
four, pour réaliser la trempe:
- on refroidit la pièce à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure à
0,5 C/s entre une température supérieure à AC3 et une température comprise
entre
T = 800 - 270xC* - 9OxMn -37xNi - 70xCr - 83x(Mo + W/2), et T-50 C environ,
- puis on refroidit la pièce à une vitesse de refroidissement moyenne à coeur
Vr <
1150xep-1,7 et supérieure à 0,1 C/s entre la température T et 100 C, ep étant
l'épaisseur de la pièce exprimée en mm, et
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- on refroidit la pièce jusqu'à la température ambiante et on effectue,
éventuellement, un planage.
Éventuellement, la trempe peut être suivie d'un revenu à une température
inférieure à 350 C, et préférence inférieure à 250 C.
L'invention concerne également une pièce en acier résistant à l'abrasion dont
la composition chimique comprend, en poids:
0,24%<_ C < 0,35%
0%SSi 2%
0%:_ AI 2%
0,5%<_Si + AI S2%
0%:9 Mn <_ 2,5%
0% :~9 Ni :z_5%
0%<_Cr55%
0%SMo 1%
0%SW2%
0,1%:g Mo +W/2 s 1%
0%<_ B 5 0,02%
0%Ti51,1%
0% Zr:_ 2,2%
0,5% <_ Ti+Zr/2 <_ 1,1%
0%<_S:90,15%
N < 0,03%
- éventuellement jusqu'à 1,5% de cuivre,
- éventuellement au moins un élément pris parmi Nb, Ta et V en des teneurs
répondant à la formule Nb/2 + Ta/4 + V<_ 0,5%,
- éventuellement au moins un élément pris parmi Se, Te, Ca, Bi, Pb en des
teneurs
inférieures ou égales à 0,1%,
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le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la
composition
chimique satisfaisant les relations suivantes:
C* = C - Ti/4 - Zr/8 + 7xN/8 >_ 0,095%
et:
1,05xMn + 0,54xNi +0,50xCr + 0,3x(Mo + W/2)1/2 + K > 1,8
avec: K = 0,5 si B >_ 0,0005% et K = 0 si B < 0,0005%,
l'acier ayant une structure martensitique ou martensito-bainitique, la dite
structure
contenant de 5% à 20% d'austénite retenue et des carbures.
L'épaisseur de
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la tôle peut être comprise entre 2 mm et 150 mm et sa planéité est
caractérisée par
une flèche inférieure ou égale à 12mm/m et de préférence inférieure à 5mm/m.
L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non
limitative et être illustrée par des exemples.
Pour fabriquer une tôle selon l'invention, on élabore un acier dont la
composition chimique comprend, en % en poids :
- de 0,24% à 0,35% de carbone pour permettre la formation d'une quantité
importante de carbures et d'obtenir une dureté suffisante, tout en ayant une
aptitude au soudage suffisante ; de préférence, la teneur en carbone est
inférieure à 0,325%, et mieux inférieure à 0,3%.
- De 0% à 1,1% de titane, de 0% à 2,2% de zirconium. La somme Ti + Zr/2 doit
être supérieure à 0,35% et de préférence supérieure à 0,4%, et mieux encore
supérieure à 0,5%, de façon à former une quantité importante de gros carbures.
Cependant, cette somme doit rester inférieure à 1,1% de façon à conserver
suffisamment de carbone en solution dans la matrice après formation des
carbures. De préférence cette somme doit rester inférieure à 1 %, et mieux à
0,9%
et mieux encore, inférieure à 0,7% si l'on a besoin de privilégier la ténacité
du
matériau. Il en résulte que la teneur en titane doit de préférence rester
inférieure
à 1%, et mieux inférieure à 0,9%, voire inférieure à 0,7%, et la teneur en
zirconium doit de préférence rester inférieure à 2%, et mieux inférieure à
1,8%,
voire inférieure à 1,4%.
- De 0% (ou des traces) à 2% de silicium et de 0% (ou des traces) à 2%
d'aluminium, la somme Si+Al étant comprise entre 0,5% et 2% et de préférence
supérieure à 0,7%. Ces éléments, qui sont des désoxydants, ont en outre pour
effet de favoriser l'obtention d'une austénite retenue métastable fortement
chargée en carbone dont la transformation en martensite s'accompagne d'un
gonflement important favorisant l'ancrage des carbures de titane ou de
zirconium.
- De 0% (ou des traces) à 2% ou même 2,5% de manganèse, de 0% (ou des
traces) à 4% ou même 5% de nickel et de 0% (ou des traces) à 4% ou même 5%
de chrome, pour obtenir une trempabilité suffisante et ajuster les différentes
caractéristiques mécaniques ou d'emploi. Le nickel a, en particulier un effet
favorable sur la ténacité, mais cet élément est cher. Le chrome forme
également
de fins carbures dans la martensite ou la bainite.
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De 0% (ou des traces) à 1 % de molybdène et de 0% (ou des traces) à 2% de
tungstène, la somme Mo+W/2 étant comprise entre 0,1 % et 1 %, et de préférence
reste inférieure à 0,8%, ou mieux, inférieure à 0,6%. Ces éléments augmentent
la
trempabilité et forment dans la martensite ou dans la bainite de fins carbures
durcissant, notamment par précipitation par auto revenu au cours du
refroidissement. Il n'est pas nécessaire de dépasser une teneur de 1% en
molybdène pour obtenir l'effet désiré en particulier en ce qui concerne la
précipitation de carbures durcissants. Le molybdène peut être remplacé, en
tout
ou partie, par un poids double de tungstène. Néanmoins cette substitution
n'est
pas recherchée en pratique car elle n'offre pas d'avantage par rapport au
molybdène et est plus coûteuse.
- Eventuellement de 0% à 1,5% de cuivre. Cet élément peut apporter un
durcissement supplémentaire sans détériorer la soudabilité. Au-delà de 1,5%,
il
n'a plus d'effet significatif, il engendre des difficultés de laminage à chaud
et
coûte inutilement cher.
- De 0% à 0,02% de bore. Cet élément peut être ajouté de façon optionnelle
afin
d'augmenter la trempabilité. Pour que cet effet soit obtenu, la teneur en bore
doit,
de préférence, être supérieure à 0,0005% ou mieux 0,001 %, et n'a pas besoin
de
dépasser sensiblement 0,01 %.
- Jusqu'à 0,15% de soufre. Cet élément est un résiduel en général limité à
0,005%
ou moins, mais sa teneur peut être volontairement augmentée pour améliorer
l'usinabilité. A noter qu'en présence de soufre, pour éviter des difficultés
de
transformation à chaud, la teneur en manganèse doit être supérieure à 7 fois
la
teneur en soufre.
- Eventuellement au moins un élément pris parmi le niobium, le tantale et le
vanadium, en des teneurs telles que Nb/2+Ta/4+V reste inférieure à 0,5% afin
de
former des carbures relativement gros qui améliorent la tenue à l'abrasion.
Mais
les carbures formés par ces éléments sont moins efficaces que ceux qui sont
formés par le titane ou le zirconium, c'est pour cela qu'ils sont optionnels
et
ajoutés en quantité limitée.
- Eventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le sélénium, le tellure,
le
calcium, le bismuth et le plomb en des teneurs inférieures à 0,1% chacun. Ces
éléments sont destinés à améliorer l'usinabilité. A noter que, lorsque l'acier
contient du Se et/ou du Te, la teneur en manganèse doit être suffisante compte
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tenu de la teneur en soufre pour qu'il puisse se former des séléniures ou des
tellurures de manganèse.
- Le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Parmi les
impuretés, il y a en particulier l'azote dont la teneur dépend du procédé
5 d'élaboration mais ne dépasse en général pas 0,03%. Cet élément peut réagir
avec le titane ou le zirconium pour former des nitrures qui ne doivent pas
être trop
gros pour ne pas détériorer la ténacité. Afin d'éviter la formation de gros
nitrures,
le titane et le zirconium peuvent être ajoutés dans l'acier liquide de façon
très
progressive, par exemple en mettant au contact de l'acier liquide oxydé une
phase oxydée telle qu'un laitier chargé en oxydes de titane ou de zirconium,
puis
en désoxydant l'acier liquide, de façon à faire diffuser lentement le titane
ou le
zirconium depuis la phase oxydée vers l'acier liquide.
En outre, afin d'obtenir des propriétés satisfaisantes, les teneurs en
carbone,
titane, zirconium, et azote doivent être telles que :
C - Ti/4 - Zr/8 + 7xN/8 > 0,095%
L'expression C - Ti/4 - Zr/8 + 7xN/8 = C* représente la teneur en carbone
libre après précipitation des carbures de titane et de zirconium, compte tenu
de la
formation de nitrures de titane et de zirconium. Cette teneur en carbone libre
C* doit
être supérieur à 0,095%, et de préférence > 0,12%, pour avoir une martensite
ayant
une dureté minimale. Plus cette teneur est faible, plus l'aptitude au soudage
et à la
découpe thermique est bonne.
De plus, la composition chimique doit être choisie de telle sorte que la
trempabilité de l'acier soit suffisante, compte tenu de l'épaisseur de la tôle
qu'on
souhaite fabriquer. Pour cela, la composition chimique doit satisfaire la
relation:
Tremp =1,05xMn + 0,54xNi +0,5OxCr + 0,3x(Mo + W/2)112 + K > 1,8 ou mieux 2
avec :K=0,5siB>0,001%etK=OsiB<0,001%,
En outre, et pour obtenir une bonne tenue à l'abrasion, la structure
micrographique de l'acier est constituée de martensite ou de bainite ou d'un
mélange
de ces deux structures, et de 5% à 20% d'austénite retenue. Cette structure
comprenant en outre des gros carbures de titane ou de zirconium formés à haute
température, voire des carbures de niobium, de tantale ou de vanadium. Les
inventeurs ont constaté que l'efficacité des gros carbures pour l'amélioration
de la
tenue à l'abrasion pouvait être obérée par le déchaussement prématuré de ceux-
ci et
que ce déchaussement pouvait être évité par la présence d'austénite métastable
qui
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se transforme sous l'effet des phénomènes d'abrasion. La transformation de
l'austénite métastable se faisant par gonflement, cette transformation dans la
sous-
couche abrasée augmente la résistance au déchaussement des carbures et, ainsi,
améliore la résistance à l'abrasion.
D'autre part, la dureté élevée de l'acier et la présence de carbures de titane
fragilisant imposent de limiter autant que possible les opérations de planage.
De ce
point de vue, les inventeurs ont constaté qu'en ralentissant de façon
suffisante le
refroidissement dans le domaine de transformation bainito-martensitique, on
réduit
les déformations résiduelles des produits, ce qui permet de limiter les
opérations de
1o planage. Les inventeurs ont constaté qu'en refroidissant la pièce ou la
tôle à une
vitesse de refroidissement Vr < 1150xep 17, (dans cette formule, ep est
l'épaisseur
de la tôle exprimée en mm, et la vitesse de refroidissement est exprimée en
C/s) en
dessous d'une température T = 800 - 270xC* - 9OxMn -37xNi - 70XCr - 83x(Mo +
W/2), (exprimée en C), d'une part, on obtenait une proportion significative
d'austénite résiduelle, et d'autre part, on réduisait les contraintes
résiduelles
engendrées par les changements de phase. Cette réduction de contraintes est
souhaitable, à la fois pour limiter le recours au planage ou faciliter celui-
ci d'une part,
et pour limiter les risques de fissuration lors des opérations ultérieures de
soudage et
de pliage.
Pour fabriquer une tôle ayant une bonne résistance à l'abrasion et bien plane,
on élabore l'acier, on le coule sous forme de brame ou de lingot. On lamine à
chaud
la brame ou le lingot pour obtenir une tôle qu'on soumet à un traitement
thermique
permettant tout à la fois d'obtenir la structure souhaitée et une bonne
planéité sans
planage ultérieur ou avec un planage limité. Le traitement thermique peut être
effectué directement dans la chaude de laminage ou réalisé ultérieurement, et
éventuellement après un planage à froid ou à mi-chaud.
Pour réaliser le traitement thermique :
- Soit directement après laminage à chaud, soit après réchauffage au-dessus du
point AC3, on refroidit la tôle à une vitesse de refroidissement moyenne,
supérieure à 0,5 C/s, c'est à dire supérieure à la vitesse critique de
transformation bainitique jusqu'à une température égale ou légèrement
inférieure
à une température T = 800 - 270xC* - 90xMn -37xNi - 70XCr - 83x(Mo + W/2),
(exprimée en C), de façon à éviter la formation de constituants ferritiques
ou
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perlitiques. Par légèrement inférieure, on entend une température comprise
entre
T et T - 50 C, ou mieux entre T et T - 25 C, ou mieux encore, entre T et T -
10 C.
puis, entre la température précédemment définie et 100 C environ, on refroidit
la
tôle à une vitesse de refroidissement moyenne à coeur Vr comprise entre 0,1
C/s,
pour obtenir une dureté suffisante, et 1150xep-1 7, pour obtenir la structure
souhaitée,
- et on refroidit la tôle jusqu à la température ambiante, de préférence, sans
que ce
soit obligatoire, à une vitesse lente.
En outre, on peut effectuer un traitement de détente, tel qu'un revenu, à une
température inférieure ou égale à 350 C, et de préférence, inférieure à 250 C.
On obtient ainsi une tôle, dont l'épaisseur peut être comprise entre 2 mm et
150
mm, ayant une excellente planéité caractérisée par une flèche inférieure à 12
mm
par mètre sans planage, où avec un planage modéré. La tôle a une dureté
comprise
entre 280HB et 450HB, environ. Cette dureté dépend principalement de la teneur
en
carbone libre C* = C - Ti/4 - Zr/8 + 7xN/8.
A titre d'exemple, on a réalisé des tôles en acier repérées A à C selon
l'invention
et D à E selon l'art antérieur. Les compositions chimiques des aciers,
exprimés en
10-3 % en poids, ainsi que la dureté et un indice de résistance à l'usure Rus,
sont
reportées au tableau 1.
La résistance à l'usure est mesurée par la perte de poids d'une éprouvette
prismatique mise en rotation dans un bac contenant des granulats calibrés de
quartzite pendant 5 heures.
L'indice Rus d'un acier est égal à 100 fois le rapport de la résistance à
l'usure de
l'acier considéré et de la résistance à l'usure d'un acier de référence
(l'acier D). Ainsi,
un acier dont l'indice Rus = 110 a une résistance à l'usure de 10% supérieure
à celle
de l'acier de référence.
Toutes les tôles ont une épaisseur de 27 mm, et sont trempées après
austénitisation à 900 C.
Après austénitisation
- pour les tôles en acier A et C, la vitesse moyenne de refroidissement est de
7 C/s au dessus de la température T définie plus haut, et de 1,6 C/s en
dessous,
conformément à l'invention;
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pour la tôle B, la vitesse moyenne de refroidissement est de 0,8 C/s au dessus
de la température T définie plus haut, et de 0,15 C/s en dessous, conformément
à l'invention;
les tôles en acier D et E, données à titre de comparaison, ont été refroidies
à une
vitesse moyenne de 24 C/s au dessus de la température T définie plus haut, et
à
une vitesse moyenne de 12 C/s en dessous.
Tableau 1
Si AI Mn Ni Cr Mo W Ti B N C* HB Rus
A 245 820 40 1620 220 150 280 - 405 3 6 149 380 121
B 275 650 50 1210 210 1100 250 - 600 2 5 129 305 111
C 245 480 30 1340 300 710 100 200 360 2 5 159 385 114
D 1 290 810 60 1290 495 726 330 - - 2 6 290 520 100
E 295 260 300 1330 300 710 340 - 100 2 5 274 525 103
Les tôles selon l'invention ont une structure martensito-bainitique auto-
revenue
contenant de 5% à 20% d'austénite retenue et des gros carbures de titane,
alors que
les tôles données à titre de comparaison ont une structure entièrement
martensitique.
La comparaison des résistances à l'usure et des duretés montre que, bien
qu'étant très sensiblement moins dures que les tôles données à titre de
comparaison, les tôles selon l'invention ont une résistance à l'usure
légèrement
meilleure. La comparaison des carbones libres montre que la bonne tenue à
l'usure
des tôles selon l'invention est obtenue avec des carbones libres très
sensiblement
plus faibles, ce qui conduit à des aptitudes au soudage ou au découpage
thermique
nettement meilleures que pour les tôles selon l'art antérieur. Par ailleurs,
la
déformation après refroidissement, sans planage, pour les aciers selon
l'invention A
à C est d'environ 5 mm/m et de 16 mm/m pour les aciers D et E donnés à titre
de
comparaison. Ces résultats montrent la réduction de déformation des produits
obtenus grâce à l'invention.
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Il en résulte en pratique, en fonction du degré d'exigence en planéité des
utilisateurs,
- soit la possibilité de livrer les produits sans planage, ce qui engendre un
gain sur
le coût et une réduction des contraintes résiduelles,
- soit l'exécution d'un planage pour satisfaire une exigence de planéité plus
sévère
(par exemple 5mm/m) mais réalisée plus facilement et en introduisant moins de
contraintes du fait de la déformation originelle moindre sur les produits
selon
l'invention.
