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WO 2015/189083
PCT/EP2015/062406
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Procédé pour fabriquer un lingot d'acier faiblement allié
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne des procédés de fabrication de lingots d'aciers
faiblement alliés et des pièces en acier pouvant être obtenues par de tels
procédés.
Dans le cas des pièces mécaniques à forte intégrité qui sont
sollicitées alternativement sous fortes contraintes, il peut être nécessaire
de dimensionner suivant des courbes minimales enveloppant tous les
résultats caractérisant les propriétés recherchées dont les propriétés de
résistance à la fatigue. Or, les courbes minimales de dimensionnement
dépendent non seulement de la valeur moyenne mais aussi de la
dispersion de résultats. Cela est particulièrement vrai pour les pièces
utilisées dans le domaine aéronautique avec lesquelles une analyse
statistique est généralement prise en compte. Le fait de réduire la
dispersion des résultats permet donc de remonter les courbes minimales
de dimension nement et, par conséquent, d'améliorer les performances des
pièces, par exemple en permettant d'alléger les pièces, d'allonger leur
durée de vie ou d'augmenter les contraintes auxquelles elles peuvent être
exposées. La réduction de la dispersion des résultats permet
avantageusement de conférer une différentiation technique concurrentielle
ainsi qu'un gain économique en matière employée.
La durée de vie durant des sollicitations en fatigue oligo-cyclique
peut dépendre d'une part de l'énergie consommée au moment de
l'amorçage sur une des particules présentes dans le matériau métallique
conduisant à une microfissuration et, d'autre part, de la propagation de la
fissure.
Du fait d'un manque d'accommodation, certaines particules peuvent
subir une fissuration prématurée, réduisant l'énergie d'amorçage et, par
conséquent, la durée de vie par rapport à une matrice seule. La nature de
la particule, sa forme, sa taille individuelle, sa distribution spatiale et sa
tendance à se rassembler avec d'autres particules peuvent directement
influer sur la réduction de cette énergie d'amorçage. Une dispersion dans
les types d'amorces peut induire une grande dispersion des réductions
d'énergies d'amorçage et peut, par conséquent, abaisser d'autant plus la
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courbe enveloppant les points minimums (abaissement de la moyenne et
accroissement de l'écart-type).
Cela peut particulièrement être le cas pour les aciers et, en
particulier, pour les aciers faiblement alliés refondus. Il est connu de
fabriquer des nuances d'aciers par refusion d'un métal dans un four à arc
électrique sous vide (mise en oeuvre d'un procédé de refusion à l'arc sous
vide ; en anglais : Vacuum arc remelting ). Une telle étape permet
d'améliorer la propreté inclusionnaire par un filtrage de certaines
particules déjà présentes dans le métal avant cette refusion.
Dans le cas des aciers faiblement alliés, la présence de particules
inclusionnaires de type sulfures et/ou oxydes, isolées, agglomérées ou
alignées peut avoir une influence sur les durées de vie en fatigue oligo-
cyclique. Les opérations précédant la refusion mises en oeuvre
actuellement visent à tenter de minimiser la probabilité de présence de
telles particules.
Toutefois, il peut subsister soit des particules exogènes, soit des
particules qui du fait d'une solubilité imparfaite peuvent se reformer lors
du refroidissement.
En outre, il peut être souhaitable de mettre en oeuvre une méthode
de refusion la plus stable que possible afin d'obtenir une flottation
régulière des radeaux d'oxydes et de sulfures à la surface du liquide en
partant du centre vers le bord du creuset du four. Cependant, chaque four
de refusion présente une certaine dispersion, induisant une dispersion des
tailles de ces amorces et, par conséquent, des disparités dans les durées
de vie des produits obtenus.
Il existe un besoin pour obtenir des pièces en acier faiblement allié
présentant des durées de vie améliorées.
Il existe un besoin pour obtenir des pièces en acier faiblement allié
présentant des disparités réduites en termes de propriétés mécaniques.
Il existe un besoin pour obtenir des procédés de fabrication d'acier
faiblement allié permettant de réduire l'impact des instabilités du four de
refusion.
Il existe encore un besoin pour disposer de nouveaux procédés de
fabrication de pièces en acier faiblement allié.
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Objet et résumé de l'invention
A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé
pour fabriquer un lingot d'acier faiblement allié comportant les étapes
suivantes:
a) fusion de tout ou partie d'une électrode par un procédé de
refusion à l'arc sous vide, l'électrode comportant, avant
fusion, du fer et du carbone, la partie fondue de l'électrode
étant recueillie dans un creuset et formant ainsi au sein du
creuset un bain fondu, et
b) solidification du bain fondu par échange thermique entre le
bain fondu et un fluide de refroidissement, l'échange
thermique réalisé permettant d'imposer une vitesse moyenne
de solidification durant l'étape b) inférieure ou égale à 45
pm/s et d'obtenir un lingot d'acier faiblement allié.
Par acier faiblement allié , il faut comprendre un acier pour lequel
aucun élément d'alliage n'est présent en une teneur massique supérieure
à 5,00%. En d'autres termes, dans un acier faiblement allié, chacun des
éléments chimiques, autres que le fer, est présent en une teneur
massique inférieure ou égale à 5,00%.
Le bain fondu comporte, au sens de l'invention, la partie liquide
obtenue après fusion de l'électrode ainsi que la partie pâteuse située entre
la partie liquide et le lingot obtenu.
Par vitesse moyenne de solidification durant l'étape b) , on
entend le rapport (distance parcourue par le front de solidification durant
l'étape b))/(durée de l'étape b)). Le front de solidification correspond à la
frontière entre le lingot obtenu et la zone pâteuse du bain fondu. La
distance parcourue par le front de solidification est égale à la distance,
mesurée le long de l'axe longitudinal du creuset, parcourue par le fond du
bain fondu (i.e. par le point du bain fondu le plus proche du fond du
creuset et situé au contact du front de solidification). La durée de l'étape
b) est la durée pendant laquelle une solidification du bain fondu est
réalisée.
L'invention permet avantageusement d'obtenir des lingots d'acier
faiblement allié présentant des inclusions de taille et d'alignement réduits.
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L'invention permet avantageusement d'obtenir des lingots d'acier
faiblement allié présentant une dispersion de la population des inclusions
obtenue durant la fabrication réduite par rapport aux lingots fabriqués par
les procédés de l'état de l'art
Les lingots obtenus par le procédé selon l'invention présentent
avantageusement des propriétés mécaniques ainsi que des durées de vie
améliorées par rapport aux lingots fabriqués par les procédés connus.
Dans l'invention, une vitesse de solidification du bain fondu
suffisamment faible est imposée afin que tout ou partie des inclusions
présentes dans le bain fondu remontent plus vite à la surface du bain
fondu que le front de solidification. Ainsi, dans l'invention, la vitesse
moyenne de solidification est choisie de manière à être inférieure à la
vitesse de flottation (i.e. la vitesse de remontée à la surface du bain
fondu) de tout ou partie des inclusions présentes dans le bain fondu. De
ce fait, l'invention permet avantageusement aux inclusions de flotter en
radeau à la surface du bain fondu et d'éviter qu'elles ne se retrouvent
piégées dans le lingot obtenu.
Les mécanismes de flottation ou de décantation des inclusions au
sein du bain fondu peuvent être décrits par les équations de Stokes. Par
exemple, la vitesse vf de flottation des inclusions est donnée par
l'équation :
vf = K. r2 . A(MV) (Equation 1)
où K est une constante physique décrivant la constante de l'accélération
de la pesanteur et la viscosité dynamique à une température donnée, r est
le rayon de l'inclusion et A (MV) est la différence de masse volumique
entre l'inclusion et le bain fondu.
L'équation 1 montre que les petites inclusions mettent plus de
temps à remonter à la surface que les grosses inclusions suivant un
rapport du rayon au carré. Par ailleurs, l'équation 1 montre qu'une
augmentation de la différence de masse volumique accroit la vitesse de
flottation.
La durée de flottation t
-flottation d'une inclusion, correspondant à la
durée nécessaire pour qu'une inclusion remonte à la surface du bain
fondu, peut être estimée par l'équation suivante :
tflottation = AD / vf (Equation 2)
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où AD est l'accroissement de distance par rapport au fond du creuset,
mesuré le long de l'axe longitudinal du creuset, entre la position initiale de
l'inclusion et la position où l'inclusion est située à la surface du bain
fondu.
Du fait du contrôle de la vitesse de solidification mise en oeuvre lors
5 de l'étape b), la durée de flottation de tout ou partie des inclusions
présentes dans le bain fondu est inférieure à la durée de l'étape b).
Dans un exemple de réalisation, la vitesse moyenne de solidification
imposée durant l'étape b) peut avantageusement être inférieure à la
vitesse de flottation de tout ou partie des inclusions non-métalliques
présentes dans le bain fondu.
La vitesse moyenne de solidification imposée durant l'étape b) peut
avantageusement être inférieure à la vitesse de flottation d'inclusions
présentes dans le bain fondu et aptes à cristalliser dans le bain fondu mais
pas dans le lingot obtenu. En particulier, la vitesse moyenne de
solidification imposée durant l'étape b) peut avantageusement être
inférieure à la vitesse de flottation des alumines A1203 et/ou à la vitesse de
flottation des aluminates de chaux de formule [(A1203)x(CaO)y] présents
dans le bain fondu.
Pour des inclusions d'alumines ou d'aluminates de chaux qui ont
des masses volumiques proches, les vitesses de flottation et, par
conséquent, les durées de flottation peuvent être similaires. Pour des
rayons d'inclusions de 2 pm, les durées de flottation peuvent, par
exemple, être inférieures à 60 minutes.
Ainsi, la durée de l'étape b) peut, par exemple, être supérieure ou
égale à 60 minutes, par exemple à 100 minutes.
Dans un exemple de réalisation, le procédé selon l'invention peut,
en outre, comporter après l'étape b) une étape c) d'homogénéisation des
éléments d'alliage présents dans le lingot obtenu. L'étape c) peut, par
exemple, comporter un traitement thermique du lingot obtenu par
soumission du lingot à une température inférieure à sa température de
fusion.
Une telle étape est avantageuse dans la mesure où elle permet de
faire diffuser les éléments d'alliage d'une zone fortement chargée en
éléments d'alliage à une zone faiblement chargée en éléments d'alliage.
Dans un exemple de réalisation, le procédé selon l'invention peut,
en outre, comporter après l'étape c), une étape d) de mise en forme à
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chaud du lingot. L'étape d) peut permettre d'obtenir à partir du lingot un
demi-produit par exemple sous forme d'une barre ou d'une tôle.
La vitesse moyenne de solidification imposée durant l'étape b) peut
de préférence être inférieure ou égale à 40 pm/s, de préférence à 35
pm/s, de préférence à 30 pm/s, de manière particulièrement préférée à 25
pm/s.
Il est particulièrement avantageux d'imposer de telles vitesses
moyennes de solidification durant l'étape b). En effet, dans le procédé de
refusion à l'arc sous vide, le four de refusion peut présenter des
instabilités lesquelles peuvent conduire au renvoi vers le fond du bain
fondu de radeaux d'inclusions. La présence de telles instabilités peut
conduire à une augmentation de la durée nécessaire pour que les
inclusions remontent à la surface du bain fondu et y demeurent. Opérer à
de telles vitesses moyennes de solidification permet avantageusement
d'augmenter encore la différence entre la durée nécessaire pour solidifier
le bain fondu et la durée nécessaire pour qu'une inclusion remonte à la
surface. Par conséquent, l'impact négatif des instabilités du four de
refusion est avantageusement réduit car la solidification est plus lente,
laissant ainsi le temps aux inclusions éventuellement renvoyées vers le
fond du bain fondu de remonter à la surface.
Ainsi, la durée de flottation de tout ou partie des inclusions
présentes dans le bain fondu peut avantageusement être inférieure ou
égale aux deux-tiers, voire à la moitié, de la durée de l'étape b).
Le diamètre de l'électrode avant fusion peut, par exemple, être
compris entre 650 mm et 1200 mm.
Par diamètre de l'électrode , il faut comprendre la plus grande
dimension de l'électrode mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal
de l'électrode.
De préférence, l'électrode peut, avant fusion, être de forme
cylindrique.
L'utilisation d'une électrode cylindrique permet avantageusement
d'obtenir après sa fusion un mouvement de remontée des inclusions au
sein du bain fondu essentiellement dirigé le long de l'axe longitudinal du
creuset. Cela permet avantageusement de limiter encore la quantité
d'inclusions piégées dans le lingot obtenu après solidification du fait d'une
remontée des inclusions plus directe vers la surface du bain fondu.
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L'invention n'est pas limitée à la mise en uvre d'une électrode de
forme cylindrique avant fusion. En effet, l'électrode peut, en variante, être
de forme conique ou parallélépipédique avant fusion.
Dans un exemple de réalisation, le diamètre du bain fondu peut,
par exemple, être compris entre 650 mm et 1200 mm. Le diamètre du
bain fondu peut encore être compris entre 700 mm et 950 mm. Le
diamètre du bain fondu peut encore être compris entre 650 mm et 950
mm. Le diamètre du bain fondu peut encore être compris entre 700 mm
et 1200 mm.
Sauf mention contraire, le diamètre du bain fondu correspond à sa
plus grande dimension mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal
du creuset. Par exemple, pour un creuset ayant une forme de cylindre, le
diamètre du bain fondu est mesuré perpendiculairement à la hauteur du
cylindre. Le diamètre du bain fondu est mesuré sans prendre en compte
l'épaisseur de la paroi latérale du creuset.
De préférence, la vitesse moyenne de solidification imposée durant
l'étape b) peut être supérieure ou égale à 9 pm/s et plus
préférentiellement supérieure ou égale à 14 pm/s.
L'utilisation de telles valeurs de vitesses de solidification est
avantageuse car elle permet d'obtenir particulièrement peu de micro-
ségrégations de solidification lors de l'étape b). Cela permet
avantageusement d'améliorer encore les propriétés mécaniques du lingot
obtenu, telles que la ténacité ou l'isotropie des propriétés mécaniques
statiques.
Par ailleurs, plus le lingot comporte de micro-ségrégations, plus la
durée de l'étape c) d'homogénéisation peut être importante.
Par conséquent, l'utilisation de telles valeurs de vitesses de
solidification permet en outre avantageusement d'obtenir une meilleure
efficacité industrielle pour le procédé en évitant par exemple d'avoir des
durées d'homogénéisation supérieures à 200 heures, voire en évitant
même d'avoir des durées d'homogénéisation supérieures à 100 heures.
L'utilisation de ces vitesses de solidification permet donc
avantageusement de réduire le coût du procédé et d'améliorer la
productivité.
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L'homme du métier saura, grâce à ses connaissances générales,
adapter le refroidissement réalisé afin d'obtenir les vitesses de
solidification souhaitées durant l'étape b).
Le fluide de refroidissement peut, par exemple, être un liquide de
refroidissement. Dans un exemple de réalisation, la combinaison d'un
liquide de refroidissement et d'un gaz de refroidissement peut être utilisée
lors de l'étape b) pour réaliser l'échange thermique. Dans ce cas, le gaz de
refroidissement peut être choisi parmi : l'hélium, l'argon ou l'azote.
Le liquide de refroidissement peut, par exemple, être choisi parmi :
l'eau, un fluide polymère ou le sodium fondu. L'eau utilisée en tant que
liquide de refroidissement peut éventuellement comporter des additifs tels
que des additifs anti-calcaires et/ou anti-bactériens.
Le fluide de refroidissement peut, par exemple, être en mouvement
par rapport au creuset durant tout ou partie de l'étape b). La vitesse de
circulation du fluide de refroidissement réalisant l'échange thermique peut,
par exemple, être supérieure ou égale à 1000 1/minute, de préférence
comprise entre 2000 et 6000 1/minute, durant tout ou partie de l'étape b).
Par exemple, le fluide de refroidissement peut, avant le début de
l'échange thermique, être à une température inférieure ou égale à 80 C.
Le creuset peut, par exemple, comporter, notamment consister en,
un métal caloporteur. Le creuset peut, par exemple, comporter,
notamment consister en, du cuivre ou du laiton.
Dans un exemple de réalisation, le carbone peut être présent dans
l'électrode avant sa fusion en une teneur massique comprise entre 0,09010
et 1,00%.
Dans un exemple de réalisation, l'électrode peut, en outre,
comporter avant fusion du chrome en une teneur massique comprise
entre 0,10% et 5,50%.
Dans un exemple de réalisation, l'électrode peut, en outre,
comporter avant fusion du molybdène en une teneur massique inférieure
ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%.
La mise en oeuvre de ces éléments à de telles teneurs massiques
confère avantageusement au lingot obtenu des propriétés mécaniques
satisfaisantes.
Dans un exemple de réalisation, l'électrode peut comporter, avant
fusion, du fer ainsi que :
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= du carbone en une teneur massique comprise entre 0,09%
et 1,00%,
= du manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à
6,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 6,00%,
= du nickel en une teneur massique inférieure ou égale à
5,50%, par exemple comprise entre 0,010% et 5,50%,
= du silicium en une teneur massique inférieure ou égale à
3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%,
= du chrome en une teneur massique comprise entre 0,10% et
5,50%,
=t du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%,
= du vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%, et
= optionnellement un ou plusieurs autres éléments d'alliage,
l'ensemble des autres éléments d'alliage étant présent en une
teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple
comprise entre 0,010% et 3,00%.
Dans un exemple de réalisation, l'électrode peut présenter, avant
fusion, la composition suivante :
= carbone en une teneur massique comprise entre 0,09% et
1,00%,
= manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à
6,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 6,00%,
= nickel en une teneur massique inférieure ou égale à 5,50%,
par exemple comprise entre 0,010% et 5,50%,
= silicium en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%,
par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%,
= chrome en une teneur massique comprise entre 0,10% et
5,50%,
= molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%,
= vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%,
= optionnellement un ou plusieurs autres éléments d'alliage,
l'ensemble des autres éléments d'alliage étant présent en une
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teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple
comprise entre 0,010% et 3,00%, et
= fer en complément à 100,00%.
La présente invention vise également une pièce en acier faiblement
5 allié
comportant du fer et du carbone, la pièce s'étendant le long d'un axe
longitudinal, la pièce étant telle que, lorsqu'elle est évaluée selon la
méthode D de la norme ASTME 45-10, les résultats suivants sont obtenus
en analyse le long de l'axe longitudinal :
= le nombre de champs comportant des inclusions de type D
10 de niveau de sévérité égal à 0,5 est inférieur à 5,
= aucun champ comportant des inclusions de type D de niveau
de sévérité égal à 1 n'est obtenu, et
= aucun champ comportant des inclusions de type B de niveau
de sévérité égal à 0,5 n'est obtenu.
Sauf indication contraire, à la fois les inclusions fines ( thin ) et
les inclusions épaisses ( heavy ) sont comptabilisées.
Une telle pièce selon l'invention présente avantageusement une
résistance à la fatigue améliorée par rapport aux pièces de l'état de la
technique. En outre, lorsqu'une pluralité de ces pièces est analysée, on
constate que la dispersion des résultats obtenus en termes de durée de
vie est inférieure à celle présentée par un échantillon de pièces produites
par les procédés connus.
La pièce peut être obtenue par mise en oeuvre d'un procédé tel que
décrit plus haut. La pièce peut comporter des inclusions non-métalliques.
La pièce peut correspondre au lingot obtenu à l'issue de l'étape b) ou
éventuellement de l'étape c) décrites plus haut. La pièce peut encore
correspondre au demi-produit obtenu après mise en oeuvre de l'étape d)
décrite plus haut.
Dans un exemple de réalisation, lorsque la pièce est évaluée selon
la méthode D de la norme ASTME 45-10, le résultat suivant peut être
obtenu en additionnant les trois résultats de mesure obtenus le long de
l'axe longitudinal de la pièce et le long des deux axes perpendiculaires à
cet axe longitudinal :
= le nombre de champs total comportant des inclusions de
type D de niveau de sévérité égal à 0,5 est inférieur ou égal
à 15, de préférence à 10.
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Dans un exemple de réalisation, le carbone peut être présent dans
la pièce en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%.
Dans un exemple de réalisation, la pièce peut, en outre, comporter
du chrome en une teneur massique comprise entre 0,05% et 5,00%.
Dans un exemple de réalisation, la pièce peut, en outre, comporter
du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par
exemple comprise entre 0,05% et 5,00%.
Dans un exemple de réalisation, la pièce peut comporter du fer
ainsi que :
= du carbone en une teneur massique comprise entre 0,09%
et 1,00%,
= du manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%,
= du nickel en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 5,00%,
= du silicium en une teneur massique inférieure ou égale à
3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%,
= du chrome en une teneur massique comprise entre 0,05% et
5,00%,
= du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%,
= du vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%, et
= optionnellement un ou plusieurs autres éléments d'alliage,
l'ensemble des autres éléments d'alliage étant présent en
une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par
exemple comprise entre 0,010% et 3,00%.
Dans un exemple de réalisation, la pièce peut présenter la
composition suivante :
= carbone en une teneur massique comprise entre 0,09% et
1,00%,
= manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%,
= nickel en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%,
par exemple comprise entre 0,010% et 5,00%,
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= silicium en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%,
par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%,
= chrome en une teneur massique comprise entre 0,05% et
5,00%,
= molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%,
= vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à
5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%,
= optionnellement un ou plusieurs autres éléments d'alliage,
l'ensemble des autres éléments d'alliage étant présent en une
teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple
comprise entre 0,010% et 3,00%, et
= fer en complément à 100,00%.
La pièce selon l'invention peut, par exemple, comporter différents
éléments d'alliage aux proportions indiquées dans le tableau 1 donné ci-
dessous.
%C %Mn %Ni %si wocr okivio %V
Pièce 1 0,13 0,2 3,4 0,2 4,1 4,3 1,2
Pièce 2 0,15 0,5 3,2 0,3 1,0 0,3 <0,1
Pièce 3 0,20 0,5 3,2 0,3 1,0 0,3 <0,1
Pièce 4 0,32 0,7 <0,4 0,3 3,3 2,0 0,3
Pièce 5 0,35 0,5 3,9 0,3 1,8 0,4 <0,1
Pièce 6 0,40 <0,5 1,8 <0,5 0,8 0,3 <0,1
Pièce 7 0,40 0,5 <0,4 0,2 3,2 1,0 0,2
Pièce 8 0,40 0,3 <0,4 0,9 5,0 1,3 0,5
Pièce 9 0,41 0,8 1,8 1,7 0,8 0,4 0,08
Pièce 10 0,81 0,2 <0,4 0,2 4,1 4,3 1,0
Tableau 1
Avantageusement, la pièce peut présenter une forme cylindrique.
En variante, la pièce peut, par exemple, présenter une forme conique ou
parallélépipédique.
Selon encore un autre de ses aspects, la présente invention
concerne une pièce en acier faiblement allié comportant du fer et du
carbone et susceptible d'être obtenue par mise en oeuvre d'un procédé tel
que décrit plus haut.
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Une telle pièce peut, par exemple, comporter les mêmes
constituants présents aux mêmes teneurs massiques que pour la pièce
décrite plus haut.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description suivante de modes particuliers de réalisation de
l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux
dessins annexés, sur lesquels :
- les figures 1 et 2 représentent, de manière schématique et
partielle la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
Comme illustré à la figure 1, l'électrode 1 destinée à être fondue est
présente dans le volume intérieur délimité par le creuset 10. L'électrode 1
peut, au préalable, avoir été élaborée par tout moyen connu comme
l'élaboration à l'air ou l'élaboration par induction sous vide. L'électrode 1
peut, comme représenté, avoir avant fusion une forme cylindrique.
Comme expliqué plus haut, on ne sort pas du cadre de la présente
invention si une électrode présentant une autre forme avant fusion est
mise en oeuvre.
Le creuset 10 est, par exemple, en cuivre. Le creuset 10 s'étend le
long d'un axe longitudinal X. Un générateur G impose une différence de
potentiel entre le creuset 10 et l'électrode 1. Une première borne du
générateur G peut, comme représenté, être connectée à l'électrode 1 et
une deuxième borne du générateur G peut, comme représenté, être
connectée au fond 11 du creuset 10. La différence de potentiel imposée
entre le creuset 10 et l'électrode 1 par le générateur G permet de créer
des arcs électriques 3 dans l'espace 2 dans lequel règne un vide. Ces arcs
électriques 3 permettent de faire fondre l'électrode 1 et de réaliser l'étape
a).
La partie fondue de l'électrode 1 est recueillie dans le creuset 10 et
forme ainsi un bain fondu 20. Le bain fondu 20 comporte une partie
liquide 21 située du côté de l'électrode 1 et une partie pâteuse 22 située
entre la partie liquide 21 et le lingot 30. Le lingot 30 est obtenu par
refroidissement de la partie fondue de l'électrode. Le front de solidification
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34 sépare le lingot obtenu 30 du bain fondu 20 et se propage durant
l'étape b) vers la surface libre du bain fondu 20. De l'eau circule autour du
creuset 10 afin de continuellement refroidir le creuset 10 ainsi que le bain
fondu 20 et d'assurer la solidification de ce dernier.
En outre, comme représenté à la figure 1, un canal de
refroidissement 13 est présent au sein de la paroi latérale 12 et de la paroi
de fond 14 du creuset 10. Un liquide de refroidissement peut circuler au
sein du canal de refroidissement 13 afin de participer aussi à la
solidification du bain fondu 20.
Comme représenté, le lingot 30 est présent, durant l'étape b), entre
le bain fondu 20 et le fond 11 du creuset 10 ainsi qu'entre le bain fondu
et la paroi latérale 12 du creuset 10. En outre, au moins une partie de
la surface périphérique 31 du lingot 30 peut ne pas être au contact de la
paroi latérale 12 du creuset 10 et être séparée de cette dernière par un
15 espace
33. Dans certains cas, dans cet espace 33, un gaz (par exemple
He, Ar, N2) peut être injecté afin d'améliorer le refroidissement.
Au terme de l'étape b), le lingot obtenu 30 peut avoir une forme
cylindrique.
La figure 2 fournit une représentation simplifiée de certains détails
20 du
procédé selon l'invention. L'électrode 1 comporte avant fusion des
inclusions 40. Ces inclusions 40 peuvent être des inclusions non
métalliques. Comme représenté, l'extrémité la de l'électrode 1 est, durant
la fusion, fondue par l'énergie des arcs électriques 3. Des gouttes 5
d'électrode fondue sont produites lesquelles vont être recueillies par le
creuset 10. Le creuset 10 est, comme expliqué plus haut, refroidi avec de
l'eau. Le bain fondu 20 a un diamètre d égal au diamètre interne du
creuset 10.
Le bain fondu 20 peut, comme représenté, avoir durant tout ou
partie de l'étape b) une forme hémisphérique. Une telle forme peut par
exemple être obtenue lorsque l'on utilise un creuset 10 de forme
cylindrique. Le bain fondu 20 peut prendre d'autres formes, par exemple
une forme serni-quasi-ovoïde. Une telle forme peut par exemple être
obtenue lorsque l'on utilise un creuset de forme parallélépipédique.
La distance e entre la surface libre 25 du bain fondu 20 et
l'électrode 1 est avantageusement maintenue constante durant l'étape b).
Cette distance e peut être pilotée soit en tension (V), soit en impulsions
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liées à la fréquence de chute des gouttes 5. Dans l'exemple illustré,
l'électrode 1 est durant l'étape b) déplacée le long de l'axe longitudinal X
du creuset 10 afin de maintenir la distance e constante.
Lors de la fusion de l'électrode 1, les gouttes 5 tombent et sont
5
recueillies par le creuset 10. Les gouttes 5 peuvent comporter des
inclusions 40 qui étaient initialement présentes dans l'électrode 1. Une fois
apportées dans le bain fondu 20, les inclusions 40 peuvent être entrainées
vers le fond 26 du bain fondu 20 (i.e. le point du bain fondu 20 le plus
proche du fond 11 du creuset et en contact avec le front de solidification
10 34).
Du point de vue thermique, le bain fondu 20 présente une partie
axiale présentant une température supérieure à celle de sa partie
périphérique. Cela conduit à une convection naturelle, correspondant aux
forces engagées de flottabilité, qui part du fond 26 du bain fondu 20,
15 rejoint
la surface libre 25 du bain fondu 20 et se dirige vers le bord 27 du
bain fondu 20. Cette convection est schématisée à la figure 2 par les
flèches 28a et 28b.
Pendant la refusion, les inclusions 40 soit solides soit liquides de
densité inférieure à celle du bain fondu 20 auront tendance à remonter à
la surface 25 avec une certaine vitesse par des mécanismes de flottation
comme expliqué plus haut.
Sur la surface libre 25 du bain fondu 20 sont présents des agrégats
41 formés d'inclusions 40 agglomérées. Ces agrégats 41 sont entrainés
vers la périphérie du lingot 30 où ils seront figés.
Comme représenté à la figure 2, le front de solidification 34 se
propage depuis le fond 11 du creuset 10 vers la surface libre 25 du bain
fondu. Le front de solidification 34 se propage durant l'étape b) le long de
l'axe longitudinal X du creuset 10 comme matérialisé par la flèche 35.
Comme représenté, le front de solidification 34 peut conserver sa forme
durant tout ou partie de l'étape b). La vitesse moyenne de remontée du
front de solidification 34 est pilotée de manière à être inférieure à la
vitesse de remontée à la surface de tout ou partie des inclusions 40
comme expliqué plus haut. On a représenté à la figure 2 les positions
successives Pi et P2 occupées par le fond 26 du bain fondu 20. La distance
di parcourue par le fond 26 du bain fondu est mesurée le long de l'axe
longitudinal X du creuset 10.
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Exemples
Exemple 1
Une électrode ayant la composition chimique suivante : C 0,42% -
Mn 0,82% - Ni 1,80% - Si 1,70% - Cr 0,80% - Mo 0,40% - V 0,08% et Fe
en complément (les teneurs sont massiques) a été fondue par un procédé
de refusion à l'arc sous vide. Le diamètre de l'électrode avant fusion était
de 920mnn.
Les conditions appliquées durant la refusion à l'arc sous vide sont
les suivantes :
-tension appliquée : 25 Volts,
-intensité appliquée : 9 kA, et
-impulsion : 250 gouttes coupe-circuit d'électrode fondue produites par
minute.
Ces conditions permettent d'obtenir un débit de gouttes d'électrode
fondue égal à 9,5 kg / minute.
Les gouttes d'électrode fondues sont recueillies dans un creuset de
diamètre égal à 975 mm et forment un bain fondu au sein du creuset en
cuivre.
On réalise ensuite une solidification du bain fondu par échange
thermique entre le bain fondu et de l'eau circulant à 3000 1/minute avec
une température thermostatée à 38 C à l'entrée et une injection continue
d'He à 20mban
L'échange thermique réalisé permet d'imposer une vitesse moyenne
de solidification durant l'étape b) égale à 24 pm/s.
Après solidification, on obtient un lingot d'acier faiblement allié
ayant la composition chimique suivante : C 0,41% - Mn 0,80% - Ni 1,80 /0
- Si 1,70% - Cr 0,80% - Mo 0,40% - V 0,08% et Fe en complément (les
teneurs sont massiques).
Les résultats obtenus en termes de propreté inclusionnaire suivant
la méthode D de la norme ASTME 45-10 sont donnés ci-dessous en
nombre de champs le long de l'axe longitudinal :
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Niveau de taille A B C D
sévérité
0,5 fin 0 0 0 3
0,5 épais 0 0 0 1
1 Fin 0 0 0 0
1 épais 0 0 0 0
1,5 Fin 0 0 0 0
1,5 épais 0 0 0 0
La somme des champs comportant des inclusions de type D dans
les 3 directions est de 7.
Exemple 2 (comparatif)
Une électrode ayant la composition chimique suivante : C 0,42% -
Mn 0,83% - Ni 1,81% - Si 1,72% - Cr 0,85% - Mo 0,38% - V 0,09% et Fe
en complément (les proportions sont massiques) a été fondue par un
procédé de refusion à l'arc sous vide.
Le diamètre de l'électrode avant fusion était de 550mm.
Les conditions appliquées durant la refusion à l'arc sous vide sont
les suivantes :
-tension appliquée : 25 Volts,
-intensité appliquée :11 I<A, et
-impulsion : 330 gouttes coupe-circuit d'électrode fondue produites par
minute.
Ces conditions permettent d'obtenir un débit de gouttes d'électrode
fondue supérieur ou égal à 12 kg / minute +/- 0,6 kg/minute.
Les gouttes d'électrode fondues sont recueillies dans un creuset de
diamètre égal à 600 mm et forment un bain fondu au sein du creuset en
cuivre.
On réalise ensuite une solidification du bain fondu par échange
thermique entre le bain fondu et de l'eau circulant à 1500 l/min avec une
température thermostatée à 38 C à l'entrée et sans injection de gaz.
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L'échange thermique réalisé permet d'imposer une vitesse moyenne
de solidification durant l'étape b) égale à 49 m/s.
Après solidification, on obtient un lingot d'acier faiblement allié
ayant la composition chimique suivante : C 0,41% - Mn 0,81% - Ni 1,82%
- Si 1,73% - Cr 0,85% - Mo 0,38% - V 0,09% et Fe en complément (les
teneurs sont massiques).
Les résultats obtenus en termes de propreté inclusionnaire suivant
la méthode D de la norme ASTME 45-10 sont donnés ci-dessous en
nombre de champs le long de l'axe longitudinal :
Niveau de taille A B C D
sévérité
0,5 fin 0 5 0 28
0,5 épais 0 1 0 15
1 Fin 0 1 0 2
1 épais 0 0 0 0
1,5 Fin 0 0 0 0
1,5 épais 0 0 0 0
La somme des champs comportant des inclusions de type B ou D
dans les 3 directions est de 87. Un tel lingot présente des propriétés
mécaniques significativement inférieures à celles du lingot selon
l'invention.
L'expression comportant/contenant un(e) doit
se
comprendre comme comportant/contenant au moins un(e) .
L'expression compris(e) entre ... et ... ou allant de ... à
doit se comprendre comme incluant les bornes.
