Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
1
Acier inoxydable ferritique utilisable pour des pièces ferromagnétiques.
La présente invention concerne un acier inoxydable ferritique utilisable
pour des pièces ferromagnétiques.
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. Ils peuvent cependant
étre transformés en aciers inoxydables ferritiques après recuit malgré
une teneur en carbone relativement élevée.
- les aciers inoxydables ferritiques dontla teneur en chrome est de l'ordre
de 11 ou 12 %. lls 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 étre
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 étre 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
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
2
ferritiques, développés dans ce domaine, ont une teneur en carbone
inférieure 0,02%.
II est connu des aciers utilisables pour leurs propriétés magnétiques
comme par exemple dans le document US 5 769 974 qui décrit un procédé
de fabrication d'un acier ferritique résistant à la corrosion et pouvant
réduire la
valeur du champ coercitif dudit acier. L'acier utilisé dans le procédé est un
acier du type re sulfuré. Le soufre réduit les propriétés de déformation à
froid.
L'acier obtenu par le procédé est donc difficilement utilisable pour la
réalisation de pièces frappées à froid.
II est connu aussi le brevet US 5 091 024 dans lequel il est présenté des
articles magnétiques résistant à la corrosion formée 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 Foucault.
La présente invention a pour but de présenter un acier inoxydable de
structure ferritique utilisable pour des pièces magnétiques ayant de hautes
propriétés magnétiques et présentant de bonnes propriétés de mise en oeuvre
en terme de frappe à froid et de bonnes propriétés d'usinabilité.
L'invention a pour objet un acier inoxydable ferritique utilisable pour des
pièces ferromagnétiques qui se caractérise en ce qu'il comprend dans sa
composition pondérale
0% < C 5 0,030%
1%<_Si_<3%
0% < Mn <_ 0,5%
10% <_ Cr <_ 13%
0% < Ni <_ 0,5%
0% < Mo <_ 3%
N <_ 0,030%
Cu <_ 0,5%
Ti < 0,5%
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
3
Nb 5 1
Ca >_ 1 10~%,
O >_ 10 10~%,
S <_ 0,030%,
P <_ 0,030%
le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
Les autres caractéristiques de l'invention sont
- la composition pondérale comporte en outre du calcium et de l'oxygène
de manière que
Ca > 3010-4%
O > 7010-4%
- le rapport entre la teneur en calcium et en oxygène Ca/O étant
0,2 _< Ca/O <_ 0,6.
- l'acier contient des inclusions de silico-aluminate de chaux de type
anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou gehlénite.
- de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale
0% < C 0.015%
1%<_Si<_3%
0_<Mn_<0,4%
10% S Cr <_ 13%
0% < Ni <_ 0,2%
0,2% <_ Mo <_ 2%
N <_ 0,015%
Cu 5 0,2%
Ti <_ 0,2%
Nb<_1%
Ca >_ 30 10-4%
O >_ 70 10-4%
S <_ 0,003%
P <_ 0,030%
le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
4
de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale
0% < C 5 0.015%
1%<_Si<_3%
0<_Mn<_0,4%
10% <_ Cr _< 13%
0% < Ni S 0,2%
0,2% S Mo _< 2%
N _< 0,015%
Cu <_ 0,2%
Ti <_ 0,2°!°
Nb<1%
Ca >_ 30 10-4%
O >_ 70 10'4%
0,015 _< S <_ 0,03%
P _< 0,030%
le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
L'invention concerne également un procédé d'élaboration d'un acier
ferritique caractérisé en ce que la composition pondérale est soumise, après
laminage à chaud et refroidissement, à un traitement thermique de recuit puis
à une modification de section du type tréfilage ou étirage.
L'acier tréfilé ou étiré peut être ultérieurement soumis à un recuit
complémentaire de recristallisation pour parfaire les propriétés magnétiques
de la pièce.
La description qui suit et la figure unique, le tout donné à titre d'exemple
non limitatif, fera 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
0% < C <_ 0,030%
1%<_SiS3%
0% < Mn <_ 0,5%
10% <_ Cr <_ 13%
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
0% <Ni <_ 0,5%
0% < Mo s 3%
N <_ 0,030%
Cu <_ 0,5%
5 Ti _< 0,5%
Nb <_ 1%
Ca >_ 1 10~%
O>_1010~%
S <_ 0,030%
P <_ 0,030%
le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
Du point de vue métallurgique, certains éléments contenus dans la
composition d'un acier favorisent l'apparition de la phase ferritique de
structure cubique centrée. Ces éléments sont dits alpha-gènes. Parmi ceux-ci
figurent notamment le chrome et le molybdène. 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 !'invention comporte dans
sa composition moins de 0,030% de carbone, moins de 0,5% de nickel,
moins de 0,030% d'azote.
Le carbone est néfaste pour la frappe, la corrosion et l'usinabilité. De
manière générale, dans le domaine des propriétés magnétiques, les
précipités doivent étre réduits car ils constituent des obstacles aux
mouvements des parois de Blocks.
Concernant les autres éléments de la composition, le nickel, le
manganèse, le cuivre dans la composition, due 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
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
6
chrome. Ils favorisent, de ce fait la tenue à la corrosion et notamment la
tenue
en corrosion des soudures.
Le soufre est limité de façon à optimiser le comportement de l'acier dans
le domaine de la frappe à froid et à optimiser les propriétés magnétiques.
Le silicium est nécessaire pour augmenter la résistivité de l'acier afin de
réduire les courants de Foucault, et est favorable pour la tenue à la
corrosion.
Les aciers selon l'invention peuvent également contenir de 0,2% à 3%
de molybdène, élément améliorant la résistance à la 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 gros inconvénient des aciers ferritiques est la mauvaise
conformation du copeau. Ils produisent des copeaux longs et enchevétrés, 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.
Une solution apportée pour pallier les problèmes d'usinage des aciers
ferritiques est d'introduire du soufre dans leur composition ou des éléments
du type plomb, tellure, sélénium qui nuisent soit aux propriétés mécaniques
de déformation à froid de résistance à la corrosion, soit aux propriétés
magnétiques. Lesdits aciers ferritiques contiennent habituellement des
inclusions dures de type chromite (Cr Mn, AI Ti)O, alumine (AIMg)O, silicate
(SiMn)O, abrasives pour les outils de coupe.
Selon l'invention, l'acier inoxydable ferritique peut contenir en outre dans
sa composition en poids plus de 30 10-4% calcium et plus de 70 10-4%
d'oxygène.
L'introduction de façon contrôlée et volontaire de calcium et d'oxygène
vérifiant la relation 0,2 <_ Ca/O _< 0,6 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,
gehlenite, pseudo-wollastonite.
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
7
La présence de calcium et oxygène réduit de façon conséquente la
formation des inclusions dures et abrasives de type chromite, alumine,
silicate. Par contre, la formation des 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 autres caractéristiques de l'acier ferritique dans le
domaine de la déformation à chaud, de la frappe à froid, la résistance à la
corrosion et propriétés magnétiques.
II s'est avéré qu'un acier de structure ferritique selon l'invention, ne
contenant pas ou très peu de soufre, a un usinage assurant son utilisation
industrielle en décolletage, tout en présentant une résistance accrue à la
corrosion.
La présence d'oxydes dits malléables dans un acier ferritique, entraîne
des avantages dans le domaine du tréfilage et étirage.
En effet, les oxydes malléables sont susceptibles de se déformer dans
le sens du laminage, alors que les oxydes durs qu'ils remplacent restent en
forme de grains.
Dans le domaine du tréfilage de fils d'acier ferritique de faible diamètre,
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,
peut étre poli avec beaucoup plus d'aisance pour l'obtention d'un état de
surface poli amélioré.
L'acier est élaboré par fusion électrique puis coulë 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.
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
ô
Un recuit est nécessaire pour assurer les opérations de transformation à
froid du produit par exemple tréfilage et étirage.
L'acier est 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 deux aciers selon
l'invention référencés acier 1 et acier 2, ainsi que deux aciers de référence
A
et B 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
Acier0,01012,21,580,480,250,0110,0090,0010,1350,040,0020,0020,00480,009
1
Acier0,01111,91,470,490,220,0150,0070,0290,1260,060 0,0020,00620,012
2 ,003
Ref 0.01517.41.250.350.5 0.020.020.280.3 0.1 0.0030.0020.0020.006
A
Ref 0.01617.51.371.530.380.0180.0170.2770.290.060.0030.0030.00170.007
B
Ces aciers ont été transformés en barres de diamètre 10 mm selon le
procédé suivant
- un laminage à chaud de rond de 11 mm,
- un recuit,
- un étirage en diamètre de 10 mm,
- un recuit final,
- un dressage et une rectification,
puis ils ont été caractérisés en propriétés magnétiques en usinabilité, en
frappe à froid et en corrosion.
Les aciers selon l'invention ont de meilleures caractéristiques
magnétiques que les aciers de référence, comme présenté sur le tableau 2
suivant.
Tableau 2.
Acier Hc(A/m) Champ coercitif
Acier 1 109
Acier 2 115
Ref A 1 ~4
Ref B 177
CA 02384754 2002-03-11
WO 02/04689 PCT/FRO1/02214
9
Ces caractéristiques sont dues à une faible teneur en éléments
d'addition en particulier une teneur en chrome d'environ 12%.
L'acier 2 se comporte très bien dans le domaine de l'usinage par
décolletage, malgré une teneur limitée en soufre. Cela s'explique par la
présence de calcium et d'oxygène.
L'acier 1 présente une très bonne aptitude à la frappe à froid, en raison
de sa faible teneur en soufre. Sur des pièces préalablement frappées,
l'usinage de finition par décolletage s'effectue de manière correcte, sans
problème particulier.
Les aciers 1 et 2 se comportent très bien dans le domaine de la
corrosion, malgré leur faible teneur en chrome, comme on peut le remarquer
sur le tableau 3 suivant. Cela est du pour l'acier 1 à une faible teneur en
soufre et pour l'acier 2 à une teneur limitée en soufre associé à une faible
teneur en manganèse.
Tableau 3.
Potentiel de piqre dans I corrosion dans H2S04
NaCI 0.02M 23C 2M
23C
Acier 1 220 mV / ECS 10 mA/cma
Acier 2 215 mV / ECS 11 mA/cm2
Rf A 205 mV I ECS 24 mA/cm2
Rf B 330 mV / ECS 6 mA/cm2
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 la
forme de feuille, il peut être utilisé dans des transformateurs de courant ou
des blindages magnétiques.
