EP0738783A1 - Acier inoxydable austénitique pour l'élaboration notamment de fil - Google Patents

Acier inoxydable austénitique pour l'élaboration notamment de fil Download PDF

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EP0738783A1
EP0738783A1 EP96400736A EP96400736A EP0738783A1 EP 0738783 A1 EP0738783 A1 EP 0738783A1 EP 96400736 A EP96400736 A EP 96400736A EP 96400736 A EP96400736 A EP 96400736A EP 0738783 A1 EP0738783 A1 EP 0738783A1
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steel
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mgo
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Frédéric Descaves
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Ugine Savoie SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires
    • C21D8/065—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires of ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel

Definitions

  • the present invention relates to an austenitic stainless steel for the preparation in particular of wire, having an inclusive cleanliness suitable for use in the field of wire drawing of wire of diameter less than 0.3 mm and in the field of the production of parts subjected to tiredness.
  • stainless steels means iron alloys containing at least 10.5% chromium. Other elements enter into the composition of steels in order to modify their structure and their properties.
  • Austenitic stainless steels have a specific composition. The austenitic structure is ensured after transformation, by a heat treatment of the hyper quenching type.
  • gamma-genes favor the appearance of the austenite phase of metallographic structure of cubic type with centered faces.
  • these elements are carbon, nitrogen, manganese, copper, nickel.
  • stainless steels may, in the liquid state, contain in solution, due to the production processes, oxygen and sulfur contents of less than 100.10 -4 %. During the cooling of the steel in liquid or solid state, the solubility of the oxygen and sulfur elements decreases and the energy of formation of the oxides or sulphides is reached.
  • the object of the invention is to produce an austenitic stainless steel having a selected inclusion cleanliness, steel which can be used in particular in the field of wire drawing with a diameter of less than 0.3 mm and in the field of production of parts subject to tired.
  • FIGS. 1 and 2 respectively present an image of an example of inclusion which is slightly deformed, thick and an image of an example of inclusions contained in a steel according to the invention.
  • the steel according to the invention contains in its weight composition less than 200. 10 -3 % of carbon, less than 200.10 -3 % of nitrogen, from 0.3% to 4% of manganese, from 14% to 23% chromium, 5% to 17% nickel, 0.3% to 2% silicon, less than 10.10 -3 % sulfur, 50.10 -4 % to 120.10 -4 % total oxygen, 0, 1.10 -4 % to 20.10 -4 % aluminum, less than 2.10 -4 % magnesium, from 0.1.10 -4 % to 5.10 -4 % calcium, less than 5.10 -3 % titanium.
  • Carbon, nitrogen, chromium, nickel, manganese, silicon are the usual elements allowing the production of an austenitic stainless steel.
  • the contents of manganese, chromium, sulfur, in proportion are chosen to generate deformable sulphides of well defined composition.
  • composition intervals of the silicon and manganese elements ensure according to the invention, the presence of inclusions of the silicate type, rich in SiO 2 and containing a non-negligible amount of MnO.
  • Mobybdenum can be added to the composition of austenitic stainless steel to improve corrosion resistance.
  • Copper can also be added to the composition of the steel according to the invention because it improves the cold deformation properties and therefore stabilizes the austenite.
  • the copper content is limited to 3% to avoid difficulties in hot transformation because the copper significantly lowers the upper temperature limit for reheating the steel before rolling.
  • the intervals in total oxygen, aluminum and calcium make it possible, according to the invention, to obtain inclusions of the manganese silicate type containing a non-zero fraction of Al 2 O 3 and CaO.
  • the aluminum and calcium contents are greater than 0.1 ⁇ 10 -4 % so that the inclusions sought contain more than 1% of CaO and more than 3% of Al 2 O 3 .
  • the values of the total oxygen contents are according to the invention between 50 ppm and 120 ppm.
  • oxygen fixes the elements magnesium, calcium, aluminum and does not form the inclusion of oxides rich in SiO 2 and MnO.
  • the calcium content is less than 5.10 -4 % so that the desired inclusions do not contain more than 30% CaO.
  • the aluminum content is less than 20.10 -4 % to avoid that the desired inclusions contain more than 25% of Al 2 O 3 , which also promotes crystallization.
  • the invention relates to an austenitic stainless steel containing inclusions of chosen composition obtained voluntarily, the composition being in relation to the overall composition of the steel, so that the physical properties of these inclusions promote their deformation during hot transformation steel.
  • austenitic stainless steel contains inclusions of determined composition which have their softening point close to the rolling temperature of the steel and such that the appearance of crystals harder than steel at the temperature of rolling as in particular the defined compounds, SiO 2 , in the form of tridymite, christobalite, quartz; 3CaO-SiO 2 ; CaO; MgO; Cr 2 O 3 ; anorthite, mullite, gehlenite, corundum, spinel of the Al 2 O 3 -MgO or Al 2 O 3 -Cr 2 O 3 -MnO-MgO type; CaO-Al 2 O 3 ; CaO-6Al 2 O 3 ; CaO-2Al 2 O 3 , TiO 2 is inhibited.
  • the steel mainly contains oxide inclusions of composition such that these form a vitreous or amorphous mixture during all the successive operations of shaping the steel.
  • the viscosity of the inclusions chosen is sufficient for the growth of the crystallized oxide particles in the resulting inclusions of the invention to be completely inhibited because, in an oxide inclusion, the short distance diffusion is low and the convective displacements are very limited.
  • These inclusions which remain vitreous in the temperature range of the hot treatments of the steel also have a lower hardness and modulus of elasticity than crystallized inclusions of corresponding composition.
  • the inclusions can be further deformed, crushed and elongated, during operation for example, by wire drawing and the concentration of stresses in the vicinity of the inclusions is greatly reduced, which considerably reduces the risk of appearance, for example , fatigue cracks or wire drawing breaks.
  • austenitic stainless steel contains inclusions of oxides of defined composition such that their viscosity in the field of hot rolling temperatures of the steel is not too high. Therefore, the flow constraint of inclusion is clearly lower than that of steel under hot rolling conditions, the temperatures of which are generally between 800 ° C. and 1350 ° C.
  • the oxide inclusions deform at the same time as the steel during hot rolling and therefore after rolling, these inclusions are perfectly elongated, and of very small thickness which makes it possible to avoid any problem of breakage during, by example, a wire drawing operation.
  • the size distribution of the inclusions on the raw casting product is relatively independent of the composition thereof. Therefore, before hot rolling, the same sizes and the same distribution of inclusions are found in steels.
  • SiO 2 content is less than 40%, the viscosity of the oxide inclusions is too low and the growth mechanism of oxide crystals is not inhibited. If SiO 2 is greater than 60%, very hard harmful particles of silica are formed in the form of trydimite or christobalite or quartz.
  • the MnO content between 5% and 50% makes it possible to greatly lower the softening point of the mixture of oxides containing in particular SiO 2 , CaO, Al 2 O 3 , and promotes the creation of inclusions which remain in a state vitreous under the rolling conditions of the steel according to the invention.
  • crystals of MnO-Al 2 O 3 or of mullite are formed.
  • the CaO content is greater than 30%, crystals of CaO-SiO 2 or (Ca, Mn) O-SiO 2 are formed .
  • crystals of MgO are formed; 2MgO-SiO 2 ; MgO-SiO 2 ; Al 2 O 3 -MgO, which are extremely hard phases.
  • Al 2 O 3 is less than 3%, wollastonite crystals are formed and when Al 2 O 3 is greater than 25%, crystals of mullite, anorthite, corundum and spinels, especially of Al 2 type, appear O 3 -MgO or Al 2 O 3 -Cr 2 O 3 -MgO-MnO or alternatively of aluminates of the CaO-6Al 2 O 3 or CaO-2Al 2 O 3 or CaO-Al 2 O 3 type , or of gehlenite .
  • the sulfur content must be less than 0.010% in order to obtain sulphide inclusions of thickness not exceeding 5 ⁇ m on the rolled product.
  • inclusions of the manganese sulfide and chromium type are perfectly deformable under the following conditions: 5% ⁇ Cr ⁇ 30% 30% ⁇ Mn ⁇ 60% 35% ⁇ S ⁇ 45%
  • Inclusions of the oxide and sulphide type are generally considered to be harmful with regard to the properties of use in the field of fine wire drawing and in the field of fatigue resistance, in particular in bending and / or torsion. It is customary to characterize the concentration of oxide and sulphide inclusions by observing a polished cut in the long direction of rolling on a hot rolled wire rod with a diameter between 5 and 10 mm. The result of this characterization carried out according to different standards depending on the end use is called inclusive cleanliness.
  • a form factor which is the ratio of length to thickness.
  • the form factor is generally very high, that is to say up to 10 or 20 and consequently, the thickness of the inclusion is extremely low.
  • an inclusion which does not deform or undergoes a small deformation is characterized by a low form factor, that is to say of the order of 1, therefore, the thickness of the inclusion remains high and of the same order of magnitude as the size of the original inclusion on the raw casting product. Consequently, in the following description, the thickness of each inclusion observed on the laminated wire is retained as a simple and effective characterization criterion with respect to the properties of use of the laminated wire.
  • Figures 1 and 2 show respectively on a polished section of laminated wire of diameter 5.5 mm, an example of very thick and slightly deformed inclusion and an example of fine and very well deformed inclusions contained in the steel according to the invention.
  • Figure 1 shows a mixed inclusion called two-phase, consisting of a central crystalline non-deformable part of the Al 2 O 3 -MgO type, denoted AlMg in the figure, and two end portions, denoted in the figure SiAlMg, consisting of a slightly deformable phase rich in SiO 2 , Al 2 O 3 and MgO.
  • This inclusion has a thickness of 11 micrometers, a length of 40 micrometers and is particularly harmful for wire drawing applications or for producing parts subjected to fatigue.
  • FIG. 2 presents four examples of inclusions less than 2 micrometers thick, of variable length, such as those contained in the steel according to the invention.
  • the inclusion characteristics are defined by counting the number of inclusions with a thickness equal to or greater than a given dimension for a sample surface of 1000 mm 2 .
  • Tables 1 and 2 below show steels showing the influence of the composition of the steel and of the composition of the oxide inclusions on the number of inclusions of given thickness.
  • TABLE 1 STEEL AT B VS D E F G %VS 0.093 0.065 0.067 0.093 0.060 0.055 0.083 %NOT 0.030 0.045 0.045 0.026 0.041 0.056 0.040 %Yes 1.81 0.49 0.54 1.75 0.48 0.56 0.75 % Mn 1.32 0.26 0.30 1.25 0.58 0.53 1.08 % Cr 17.65 18.46 18.32 17.60 18.27 18.24 17.95 %Or 7.85 8.49 8.47 7.75 8.61 8.57 8.30 % Mo 0.71 0.10 0.17 0.73 0.24 0.28 0.33 % Cu 0.22 0.32 0.33 0.15 0.48 0.51 0.25 Ot ppm 25 40 48 28 129 138 65 Al ppm 43 10 8 26 25 13 18 Ca ppm 9 13 2 1 54 11 2 Mg ppm 1 1 1 3 2 1 1 Ti
  • Table 1 presents compositions of steels considered of insufficient quality and Table 2 presents compositions of steel according to the invention having a remarkable inclusiveness.
  • the inclusionary characteristics are materialized by the fact that on a sampled surface of 1000 mm 2 of less than 5 inclusions of oxides thicker than 10 ⁇ m.
  • the sulfide inclusions are, in number, less than 10 having a thickness of more than 5 ⁇ m, for an area of 1000 mm 2 .
  • Steel A has a low total oxygen content and a high aluminum content.
  • the inclusions seen in the steel are poor in SiO 2 and MnO, very rich in Al 2 O 3 and MgO, of crystalline spin type Al 2 O 3 -MgO.
  • Steel B has a low total oxygen content and a high calcium content. Despite an acceptable aluminum content, the inclusions observed contain too much Al 2 O 3 and this is reflected, on the hot-rolled wire, by the presence of thick inclusions.
  • Steel D like steel C, has a low total oxygen content but a high content of aluminum and magnesium. On the steel, inclusions rich in SiO 2 and MgO are observed, inclusions which are not sufficiently deformable.
  • Steel E has a high sulfur content which causes the appearance of numerous, slightly deformed sulfides. In addition, it has a high content of oxygen, aluminum, calcium. This leads to the appearance of inclusions containing little SiO2, a lot of CaO, and very little MnO. These inclusions are not very deformable and numerous. Steel F also has high sulfur and oxygen contents, but the aluminum and calcium contents are quite low. In this steel, the inclusions are rich in SiO 2 and Cr 2 O 3 , which leads to the appearance of very hard Cr 2 O 3 crystals and viscous SiO 2 phases.
  • Steel G has a high sulfur content, which results in the appearance of numerous sulphides. Furthermore, the other contents of the composition are within acceptable ranges and the inclusions of oxides obtained are of a vitreous nature, on wire and deformable as in the steel according to the invention.

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Abstract

Acier inoxydable austénitique pour la réalisation de fil pouvant être utilisé dans le domaine du tréfilage en diamètre inférieur à 0,3 mm et dans le domaine de la réalisation de pièces soumises à la fatigue, caractérisé en la composition pondérale suivante:
  • carbone ≦ 200. 10-3%
  • azote ≦ 200. 10 -3%
  • 0,3% ≦ manganèse ≦ 4%,
  • 14% ≦ chrome ≦ 23%
  • 5% ≦ nickel ≦17%,
  • 0,3% ≦ silicium ≦ 2%,
  • soufre ≦ 10.10-3%,
  • 50.10-4% ≦ oxygène total ≦ 120.10-4%,
  • 0,1.10-4% ≦ aluminium ≦ 20.10-4%
  • magnésium ≦ 2.10-4%
  • 0,1.10-4 % ≦ calcium ≦ 5.10-4%
  • titane ≦ 5.10-3%
  • des impuretés inhérentes à la fabrication,
et dans lequel des inclusions d'oxydes ont, sous forme de mélange vitreux, les proportions pondérales suivantes:
  • 40% ≦ SiO2 ≦ 60%
  • 5% ≦ MnO ≦ 50%
  • 1% ≦ CaO ≦ 30%
  • 0,1% ≦ MgO ≦ 20%
  • 3% ≦ Al2O3 ≦ 25%
  • 0,1% ≦ Cr2O3 ≦10%

Description

  • La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique pour l'élaboration notamment de fil, ayant une propreté inclusionnaire adaptée pour une utilisation dans le domaine du tréfilage de fil de diamètre inférieur à 0,3 mm et dans le domaine de la réalisation de pièces soumises à la fatigue.
  • On désigne par aciers inoxydables, les alliages de fer contenant au moins 10,5% de chrome. D'autres éléments entrent dans la composition des aciers afin de modifier leur structure et leurs propriétés.
  • Les aciers inoxydables austénitiques ont une composition déterminée. La structure austénitique est assurée après transformation, par un traitement thermique de type hypertrempe.
  • Du point de vue métallurgique, il est connu que certains éléments d'alliage entrant dans la composition des aciers favorisent l'apparition de la phase ferrite de structure métallographique de type cubique centré. Ces éléments sont dit alpha-gènes. Parmi ceux-ci figurent le chrome, le molybdène, le silicium.
  • D'autres éléments dits gamma-gènes favorisent l'apparition de la phase austénite de structure métallographique de type cubique à faces centrées. Parmi ces éléments figurent le carbone, l'azote, le manganèse, le cuivre, le nickel.
  • Dans le domaine par exemple du tréfilage, il est connu que pour obtenir un fil de diamètre inférieur à 0,3 mm, dit fin, l'acier inoxydable utilisé ne doit pas comporter d'inclusions dont la taille génère la casse de fil lors du tréfilage.
  • Dans l'élaboration des aciers inoxydables austénitiques, comme pour tous les autres aciers élaborés avec des moyens conventionnels et économiquement adaptés à la production de masse, la présence d'inclusions de type sulfures ou oxydes est systématique et irrémédiable. En effet, les aciers inoxydables peuvent, à l'état liquide, contenir en solution, du fait des procédés d'élaboration, des teneurs en oxygène et en soufre inférieures à 100.10-4%. Au cours du refroidissement de l'acier à l'état liquide ou solide, la solubilité des éléments oxygène et soufre diminue et l'énergie de formation des oxydes ou des sulfures est atteinte. On assiste alors à l'apparition d'inclusions formées d'une part, de composés de type oxydes contenant des atomes d'oxygène et des éléments d'alliage avides de réagir avec l'oxygène tels que calcium, magnésium, aluminium, silicium, manganèse, chrome, et d'autre part, de composés de type sulfures contenant des atomes de soufre et des éléments d'alliage avides de réagir avec le soufre tels que manganèse, chrome, calcium, magnésium. Il peut apparaître également des inclusions qui sont des composés mixtes de type oxysulfure.
  • Il est connu le brevet EP-A-0 567 365 concernant un acier austénitique contenant notamment du cuivre et du calcium associé à de l'oxygène dans un rapport Ca/O élevé pour former des oxydes malléables. Ces oxydes ont des compositions qui se situent sur le diagramme Al2 O3 -Si O2 - Ca O, dans la zone du point triple anorthite, gehlénite et pseudo-wollastonite. Dans ce document qui concerne un acier à usinabilité améliorée, les oxydes sont introduits en nombre, volontairement.
  • Il est possible de réduire la quantité d'oxygène contenu dans l'acier inoxydable en utilisant des réducteurs puissants tels que magnésium, aluminium, calcium, titane ou une combinaison de plusieurs d'entre eux mais ces réducteurs conduisent tous à la création d'inclusions riches en MgO, Al2O3, CaO ou TiO2 qui sont sous la forme de réfractaires cristallisés, durs et indéformables dans les conditions de laminage de l'acier inoxydable. La présence de ces inclusions génère des incidents par exemple de tréfilage et des casses de fatigue sur les produits élaborés avec l'acier inoxydable.
  • L'invention a pour but la réalisation d'un acier inoxydable austénitique ayant une propreté inclusionnaire sélectionnée, acier pouvant être utilisé notamment dans le domaine du tréfilage en diamètre inférieur à 0,3 mm et dans le domaine de la réalisation de pièces soumises à la fatigue.
  • L'invention a pour objet un acier inoxydable austénitique qui se caractérise en la composition pondérale suivante:
    • carbone ≦ 200. 10-3%
    • azote ≦ 200. 10 -3%
    • 0,3% ≦ manganèse ≦ 4%,
    • 14% ≦ chrome ≦ 23%
    • 5% ≦ nickel ≦17%,
    • 0,3% ≦ silicium ≦ 2%,
    • soufre ≦ 10.10-3%,
    • 50.10-4% ≦ oxygène total ≦ 120.10-4%,
    • 0,1.10-4% ≦ aluminium ≦ 20.10-4%
    • magnésium ≦ 2.10-4%
    • 0,1.10-4 % ≦ calcium ≦ 5.10-4%
    • titane ≦ 5.10-3%
    • des impuretés inhérentes à la fabrication,
    et dans lequel des inclusions d'oxydes ont, sous forme de mélange vitreux, les proportions pondérales suivantes:
    • 40% ≦ SiO2 ≦ 60%
    • 5% ≦ MnO ≦ 50%
    • 1% ≦ CaO ≦30%
    • 0,1% ≦ MgO ≦ 20%
    • 3% ≦ Al2O3 ≦ 25%
    • 0,1% ≦ Cr2O3 ≦10%
  • Les autres caractéristiques de l'invention sont:
    • La composition de l'acier comprend moins de 5.10-3 % de soufre.
    • La composition de l'acier comprend en outre moins de 3% de molybdène.
    • La composition de l'acier comprend en outre moins de 3% de cuivre.
    • L'acier contient en nombre, après laminage à chaud en fil de diamètre supérieur à 5 mm, moins de 5 inclusions d'oxyde de plus de 10 µm d'épaisseur pour une surface de 1000 mm2
    • L'acier contient en nombre, après laminage à chaud en fil de diamètre supérieur à 5 mm, moins de 10 inclusions de sulfure de plus de 5 µm d'épaisseur pour une surface de 1000 mm2
  • La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre l'invention.
  • Les figures 1 et 2 présentent respectivement une image d'un exemple d'inclusion peu déformée, épaisse et une image d'un exemple d'inclusions contenues dans un acier selon l'invention.
  • L'acier selon l'invention contient dans sa composition pondérale moins de 200. 10-3% de carbone, moins de 200.10 -3% d'azote, de 0,3% à 4% de manganèse, de 14% à 23% de chrome, de 5% à 17% de nickel, de 0,3% à 2% de silicium, moins de 10.10-3% de soufre, de 50.10-4% à 120.10-4% d'oxygène total, de 0,1.10-4% à 20.10-4% d'aluminium, moins de 2.10-4% de magnésium, de 0,1.10-4 % à 5.10-4% de calcium, moins de 5.10-3% de titane .
  • Le carbone, l'azote, le chrome, le nickel, le manganèse, le silicium sont les éléments habituels permettant l'obtention d'un acier inoxydable austénitique.
  • Les teneurs en manganèse, chrome, soufre, en proportion sont choisies pour générer des sulfures déformables de composition bien déterminée.
  • Les intervalles de composition des éléments en silicium et manganèse, en proportion, assurent selon l'invention, la présence d'inclusions de type silicate, riches en SiO2 et contenant une quantité non négligeable de MnO.
  • Le mobybdène peut être ajouté à la composition de l'acier inoxydable austénitique pour améliorer la tenue en corrosion.
  • Le cuivre peut être également ajouté à la composition de l'acier selon l'invention car il améliore les propriétés de déformation à froid et de ce fait, stabilise l'austénite. Cependant le teneur en cuivre est limitée à 3% pour éviter des difficultés de transformation à chaud car le cuivre abaisse sensiblement la limite supérieure de température de réchauffage de l'acier avant laminage.
  • Les intervalles en oxygène total, aluminium et calcium permettent, selon l'invention, d'obtenir des inclusions de type silicate de manganèse contenant une fraction non nulle de Al2O3 et de CaO. Notamment, les teneurs en aluminium et en calcium sont supérieures à 0,1.10-4% pour que les inclusions recherchées contiennent plus de 1 % de CaO et plus de 3% de Al2O3.
  • Les valeurs des teneurs en oxygène total sont selon l'invention comprises entre 50 ppm et 120 ppm.
  • Pour une teneur en oxygène total inférieure à 50 ppm, l'oxygène fixe les éléments magnésium, calcium, aluminium et ne forme pas d'inclusion d'oxydes riches en SiO2 et MnO.
  • Pour une teneur en oxygène total supérieure à 120 ppm, il y aura dans la composition des oxydes plus de 10% de Cr2O3, ce qui favorise la cristallisation, ce que l'on cherche à éviter.
  • La teneur en calcium est inférieure à 5. 10-4% de façon que les inclusions recherchées ne contiennent pas plus de 30% de CaO.
  • La teneur en aluminium est inférieure à 20.10-4% pour éviter que les inclusions recherchées contiennent plus de 25% de Al2O3, ce qui favorise également la cristallisation.
  • Il est concevable, après avoir réalisé selon un procédé conventionnel et économique, un acier contenant des inclusions de type oxyde et sulfure, de le raffiner pour faire disparaître ces inclusions en utilisant des procédés de refusion lents et peu rentables économiquement tels que les procédés de refusion sous vide (Vacuum Argon Remelting) ou de refusion sous laitier ( Electro Slag Remelting ).
  • Ces procédés de refusion ne permettent d'éliminer que partiellement, par décantation dans la flaque de liquide, les inclusions déjà présentes sans modifier leur nature et leur composition.
  • L'invention concerne un acier inoxydable austénitique contenant des inclusions de composition choisie obtenue volontairement, la composition étant en relation avec la composition globale de l'acier, de telle sorte que les propriétés physiques de ces inclusions favorisent leur déformation lors de la transformation à chaud de l'acier.
  • Selon l'invention, l'acier inoxydable austénitique contient des inclusions de composition déterminée qui ont leur point de ramollissement proche de la température de laminage de l'acier et telles que l'apparition de cristaux plus durs que l'acier à la température de laminage comme notamment les composées définis , SiO2, sous forme de tridymite, christobalite, quartz; 3CaO-SiO2; CaO; MgO; Cr2O3; anorthite, mullite, gehlenite, corindon, spinelle du type Al2O3-MgO ou Al2O3-Cr2O3-MnO-MgO; CaO-Al2O3; CaO-6Al2O3; CaO-2Al2O3,TiO2 est inhibée.
  • Selon l'invention, l'acier contient principalement des inclusions d'oxyde de composition telle que celles-ci forment un mélange vitreux ou amorphe pendant toutes les opérations successives de mise en forme de l'acier. La viscosité des inclusions choisies est suffisante pour que la croissance des particules cristallisées d'oxydes dans les inclusions résultantes de l'invention soit totalement inhibée du fait que, dans une inclusion d'oxyde, la diffusion à courte distance est faible et les déplacements convectifs sont très limités. Ces inclusions restées vitreuses dans le domaine de température des traitements à chaud de l'acier présentent également une dureté et un module d'élasticité plus faibles que des inclusions cristallisées de composition correspondante. Ainsi les inclusions peuvent être encore déformées, écrasées et allongées, lors d'opération par exemple, de tréfilage et la concentration de contraintes au voisinage des l'inclusions est fortement diminuée, ce qui atténue de façon importante le risque d'apparition, par exemple, de fissures de fatigue ou des casses au tréfilage.
  • Selon l'invention, l'acier inoxydable austénitique contient des inclusions d'oxydes de composition définie telle que leur viscosité dans le demaine des températures de laminage à chaud de l'acier ne soit pas trop élevée. De ce fait, la contrainte d'écoulement de l'inclusion est nettement plus faible que celle de l'acier dans les conditions de laminage à chaud dont les températures sont généralement comprises entre 800 °C et 1350°C. Ainsi les inclusions d'oxydes se déforment en même temps que l'acier lors du laminage à chaud et donc après laminage, ces inclusions sont parfaitement allongées, et d'épaisseur très faible ce qui permet d'éviter tout problème de casse lors, par exemple, d'une opération de tréfilage.
  • Les inclusions décrites ci-dessus sont selon l'invention, réalisées avec les moyens d'élaboration classiques et très productifs d'une aciérie électrique pour aciers inoxydables tels que four électrique, convertisseur AOD ou VOD, métallurgie en poche et coulée continue.
  • Avec les procédés classiques d'élaboration et de coulée, décrits précédemment, la distribution en taille des inclusions sur le produit brut de coulée est relativement indépendante de la composition de celles-ci. Donc, avant laminage à chaud, on retrouve dans les aciers les même tailles et la même distribution d'inclusions.
  • Les inclusions d'oxydes ci dessous présentant les propriétés favorables décrites sont selon l'invention composées d'un mélange vitreux de SiO2, MnO, CaO, Al2O3, MgO et Cr2O3,, et éventuellement, de trace de FeO et ou de TiO2, dans les proportions pondérales suivantes:
    • 40% ≦ SiO2 ≦ 60%
    • 5% ≦ MnO ≦ 50%
    • 1 % ≦ CaO ≦ 30%
    • 0,1% ≦ MgO ≦ 20%
    • 3% ≦ Al2O3 ≦ 25%
    • 0,1% ≦ Cr2O3 ≦ 10%
  • Si la teneur en SiO2 est inférieure à 40%, la viscosité des inclusions d'oxydes est trop faible et le mécanisme de croissance de cristaux d'oxyde n'est pas inhibé. Si SiO2 est supérieur à 60%, il se forme des particules nocives très dures de silice sous forme de trydimite ou de christobalite ou de quartz.
  • La teneur en MnO, comprise entre 5% et 50% permet d'abaisser fortement le point de ramollissement du mélange d'oxydes contenant notamment SiO2, CaO, Al2O3, et favorise la création d'inclusions qui restent dans un état vitreux dans les conditions de laminage de l'acier selon l'invention.
  • Pour une teneur en CaO inférieure à 1%, il se forme des cristaux de MnO-Al2O3 ou de mullite. Lorsque la teneur en CaO est supérieure à 30%, il se forme alors, des cristaux de CaO-SiO2 ou (Ca,Mn)O-SiO2.
    Pour une teneur en MgO supérieur à 20%, il se forme des cristaux de MgO; 2MgO-SiO2; MgO-SiO2; Al2O3-MgO, qui sont des phases extrêmement dures.
  • Si Al2O3 est inférieur à 3%, il se forme des cristaux de wollastonite et lorsque Al2O3 est supérieur à 25%, apparaissent des cristaux de mullite, d'anorthite, de corindon, de spinelles notamment de type Al2O3-MgO ou Al2O3-Cr2O3-MgO-MnO ou bien encore d'aluminates du type CaO-6Al2O3 ou CaO-2Al2O3 ou CaO-Al2O3, ou de gehlenite.
  • Avec plus de 10% de Cr2O3 apparaissant également des cristaux durs de Cr2O3 ou Al2O3-Cr2O3-MgO-MnO, CaO-Cr2O3, MgO-Cr2O3.
    Selon une forme de l'invention la teneur en soufre doit être inférieure à 0,010% pour obtenir des inclusions de sulfure d'épaisseur ne dépassant pas 5 µm sur produit laminé . En effet, les inclusions de type sulfure de manganèse et de chrome sont parfaitement déformables dans les conditions suivantes:
    5% < Cr < 30%
    30% < Mn < 60 %
    35 % <S< 45%
  • Les inclusions de type oxydes et sulfures sont généralement considérées comme néfastes vis à vis des propriétés d'emploi dans le domaine du tréfilage en fil fin et dans le domaine de la tenue en fatigue, notamment, en flexion et/ou en torsion. Il est usuel de caractériser la concentration en inclusions de type oxyde et sulfure par l'observation d'une coupe polie en sens long de laminage sur un fil machine laminé à chaud de diamètre compris entre 5 et 10 mm. On appelle propreté inclusionnaire le résultat de cette caractérisation réalisée selon différentes normes en fonction de l'utilisation finale.
  • Pour une inclusion observée, sur coupe polie de fil laminé, on mesure sa longueur et son épaisseur, puis on définit un facteur de forme qui est le rapport de la longueur sur l'épaisseur. Pour une inclusion qui s'est très bien déformée au cours des opérations de laminage, le facteur de forme est en général très élevé, c'est à dire pouvant atteindre 10 ou 20 et en conséquence, l'épaisseur de l'inclusion est extrêmement faible. Au contraire, une inclusion qui ne se déforme pas ou subit une faible déformation est caractérisée par un facteur de forme peu élevé, c'est à dire de l'ordre de 1, donc, l'épaisseur de l'inclusion reste élevée et du même ordre de grandeur que la taille de l'inclusion originelle sur produit brut de coulée. En conséquence, dans la suite de la description, on retient comme critère de caractérisation simple et efficace vis à vis des propriétés d'emploi du fil laminé, l'épaisseur de chaque inclusion observée sur le fil laminé.
  • Les figures 1 et 2 présentent respectivement sur une coupe polie de fil laminé de diamètre 5,5 mm, un exemple d'inclusion très épaisse et peu déformée et un exemple d'inclusions fines et très bien déformées contenues dans l'acier selon l'invention.
  • La figure 1 montre une inclusion mixte dite biphasée, constituée d'une partie centrale cristallisée indéformable de type Al2O3-MgO, notée AlMg sur la figure, et de deux parties d'extrémité, notée sur la figure SiAlMg, constituées d'une phase peu déformable riche en SiO2, Al2O3 et MgO. Cette inclusion présente une épaisseur de 11 micromètres, une longueur de 40 micromètres et est particulièrement nocive pour des applications de tréfilage ou de réalisation de pièces soumises à la fatigue.
  • La figure 2 présente quatre exemples d'inclusions de moins de 2 micromètres d'épaisseur, de longueur variable, telles que celles contenues dans l'acier selon l'invention.
  • Ces dernières inclusions ne présentent pas de nocivité vis à vis des applications de tréfilage fin en fil de diamètre inférieur à 0,3 mm ou de pièce soumises à la fatigue telles que des ressorts, renfort de pneumatique.
  • Les caractéristiques inclusionnaires sont définies par le comptage du nombre d'inclusions d'une épaisseur égale ou supérieure à une cote donnée pour une surface d'échantillon de 1000 mm2.
  • Les tableaux 1 et 2 suivants présentent des aciers montrant l'influence de la composition de l'acier et de la composition des inclusions d'oxydes sur le nombre d'inclusions d'épaisseur donnée. TABLEAU 1
    ACIER A B C D E F G
    %C 0,093 0,065 0,067 0,093 0,060 0,055 0,083
    %N 0,030 0,045 0,045 0,026 0,041 0,056 0,040
    %Si 1,81 0,49 0,54 1,75 0,48 0,56 0,75
    %Mn 1,32 0,26 0,30 1,25 0,58 0,53 1,08
    %Cr 17,65 18,46 18,32 17,60 18,27 18,24 17,95
    %Ni 7,85 8,49 8,47 7,75 8,61 8,57 8,30
    %Mo 0,71 0,10 0,17 0,73 0,24 0,28 0,33
    %Cu 0,22 0,32 0,33 0,15 0,48 0,51 0,25
    Ot ppm 25 40 48 28 129 138 65
    Al ppm 43 10 8 26 25 13 18
    Ca ppm 9 13 2 1 54 11 2
    Mg ppm 1 1 1 3 2 1 1
    Ti ppm 28 32 45 62 56 36 39
    S ppm 31 25 46 40 279 286 126
    nature des inclusions
    %SiO2 4 36 39 48 39 61 42
    %CaO 3 24 16 2 36 2 13
    %MnO 1 2 8 6 1 20 22
    %Al203 69 33 25 2 20 2 15
    %MgO 21 2 4 40 2 1 3
    %Cr2O3 2 3 8 2 2 14 5
    Cotation inclusionnaire sur fil machine laminé à chaud de diamètre 5.5mm
    ACIER A B C D E F G
    Cotation nombre de sulfures épaisseur. > 5µm par 1000mm2 0 0 0 0 71 98 17,6
    cotation nombre d'oxydes épaisseur. > 10µm par 1000mm2 13,9 8 6 6,1 39 19 3,5
    TABLEAU 2
    ACIER H I J K L M N O
    %C 0,069 0,088 0,079 0,079 0,075 0,078 0,081 0,099
    %N 0,045 0,030 0,035 0,039 0,048 0,058 0,056 0,034
    %Si 0,51 1,71 0,78 0,83 0,69 0,63 0,66 0,68
    %Mn 0,32 1,29 1,05 0,96 0,74 0,70 0,72 0,85
    %Cr 18,39 17,75 17,80 17,60 18,52 18,52 18,50 17,65
    %Ni 8,40 7,85 8,36 8,24 8,86 8,87 8,85 7,82
    %Mo 0,17 0,69 0,29 0,17 0,15 0,17 0,15 0,32
    %Cu 0,34 0,21 0,28 0,21 0,34 0,36 0,35 0,25
    Ot ppm 52 51 70 65 53 71 50 95
    Al ppm 9 19 17 16 12 9 11 9
    Ca ppm 5 1 2 2 2 2 2 2
    Mg ppm 1 1 1 1 1 1 1 1
    Ti ppm 35 15 22 23 30 18 25 23
    S ppm 8 37 35 31 50 35 37 30
    nature des inclusions
    %SiO2 45 54 45 46 47 49 48 50
    %CaO 15 2 11 2 17 1 14 4
    %MnO 10 14 25 42 8 38 11 30
    %Al203 22 7 12 5 24 3 18 7
    %MgO 1 18 2 0,1 2 1 3 1
    %Cr203 7 4 5 5 2 8 3 8
    Cotation inclusionnaire sur fil machine laminé à chaud de diamètre 5.5mm
    ACIER H I J K L M N O
    Cotation nombre de sulfures épaisseur. > 5µm par 1000mm2 0 0 0 0 0 0 0 0
    cotation nombre d'oxydes épaisseur. > 10µm par 1000mm2 3,5 2,4 2,6 3,1 1,2 0 1,2 0,5
  • Le tableau 1 présente des compositions d'aciers considérées de qualité insuffisante et le tableau 2 présente des compositions d'acier selon l'invention ayant une propreté inclusionnaire remarquable.
  • Les caractéristiques inclusionnaires sont matérialisées par le fait de la présence sur une surface échantillonnée de 1000 mm2 de moins de 5 inclusions d'oxydes d'épaisseur de plus de 10 µm. Les inclusions de sulfure sont, en nombre, moins de 10 ayant une épaisseur de plus de 5 µm, pour une surface de 1000 mm2.
  • L'acier A a une faible teneur en oxygène total et une forte teneur en aluminium. De ce fait, les inclusions vues dans l'acier sont pauvres en SiO2 et en MnO, très riches en Al2O3 et MgO, de type spinelle Al2O3-MgO cristallisées. Cela se traduit par la présence, dans le fil laminé à chaud, de nombreuses inclusions d'épaisseur supérieures à 10 µm, c'est à dire environ 14 inclusions pour 1000 mm2.
  • L'acier B a une faible teneur en oxygène total et une forte teneur en calcium. Malgré une teneur en aluminium acceptable, les inclusions observées contiennent trop d'Al2O3 et cela se traduit, sur le fil laminé à chaud, par la présence d'inclusions épaisses.
  • L'acier C a une teneur en oxygène assez faible alors que les autres éléments tels que l'aluminium, le calcium, le magnésium sont dans des teneurs acceptables. Cela conduit à observer des inclusions qui contiennent insuffisamment de SiO2. On remarque par ailleurs, que la quantité d'Al2O3 est de l'ordre de 25%. Les inclusions observées ne sont pas parfaitement déformables dans les conditions de laminage et on observe sur le fil laminé un nombre encore conséquent d'inclusions peu déformées.
  • L'acier D a, comme l'acier C, une faible teneur en oxygène total mais une forte teneur en aluminium et en magnésium. On observe sur l'acier des inclusions riches en SiO2 et MgO, inclusions qui ne sont pas suffisamment déformables.
  • L'acier E présente une forte teneur en soufre qui provoque l'apparition de très nombreux sulfures peu déformés. De plus, il a une forte teneur en oxygène, en aluminium, en calcium. Cela entraîne l'apparition d'inclusions contenant peu de SiO2, beaucoup de CaO, et très peu de MnO. Ces inclusions sont peu déformables et nombreuses. L'acier F présente également de fortes teneurs en soufre et en oxygène mais les teneurs en aluminium et en calcium sont assez basses. Dans cet acier, les inclusions sont riches en SiO2 et en Cr2O3, ce qui conduit à l'apparition de cristaux de Cr2O3 très durs et de phases SiO2 visqueuses.
  • L'acier G a une teneur en soufre élevée, ce qui se traduit par l'apparition de sulfures nombreux. Par ailleurs, les autres teneurs de la composition sont dans des intervalles acceptables et les inclusions d'oxydes obtenues sont d'une nature vitreuse, sur fil et déformables comme dans l'acier selon l'invention.
  • Dans les exemples du tableau 2 selon l'invention, lorsque la teneur en aluminium est inférieure à 15.10-4% et lorsque la teneur en calcium est inférieure à 4.10-4%, il est constaté une diminution très nette du nombre des inclusions grossières d'oxydes d'épaisseur supérieure à 10µm.

Claims (6)

  1. Acier inoxydable austénitique pour la réalisation de fil pouvant être utilisé dans le domaine du tréfilage en diamètre inférieur à 0,3 mm et dans le domaine de la réalisation de pièces soumises à la fatigue, caractérisé en la composition pondérale suivante :
    - carbone ≦ 200. 10-3%
    - azote ≦ 200.10 -3%
    - 0,3% ≦ manganèse ≦ 4%,
    - 14% ≦ chrome ≦ 23%
    - 5% ≦ nickel ≦17%,
    - 0,3% ≦ silicium ≦ 2%,
    - soufre ≦ 10.10-3%,
    - 50.10-4% ≦ oxygène total ≦ 120.10-4%,
    - 0,1.10-4% ≦ aluminium ≦ 20.10-4%
    - magnésium ≦ 2.10-4%
    - 0,1.10-4 %≦calcium ≦ 5.10-4%
    - titane ≦ 5.10-3%
    - des impuretés inhérentes à la fabrication,
    et dans lequel des inclusions d'oxydes ont, sous forme de mélange vitreux, les proportions pondérales suivantes:
    - 40% ≦ SiO2 ≦ 60%
    - 5% ≦ MnO ≦ 50%
    - 1% ≦ CaO ≦ 30%
    - 0,1% ≦ MgO ≦ 20%
    - 3% ≦ Al2O3 ≦ 25%
    - 0,1% ≦ Cr2O3 ≦10%
  2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition comprend moins de 5.10-3% de soufre.
  3. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition comprend en outre moins de 3% de molybdène.
  4. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition comprend en outre moins de 3% de cuivre.
  5. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient en nombre , après laminage à chaud en diamètre supérieur à 5 mm, moins de 5 inclusions d'oxyde de plus de 10 µm d'épaisseur pour une surface de 1000 mm2
  6. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient en nombre, après laminage à chaud en diamètre supérieur à 5 mm, moins de 10 inclusions de sulfure de plus de 5 µm d'épaisseur pour une surface de 1000 mm2.
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