"Tôle d'acier au silicium non orienté présentant des propriétés magnétiques stables" La présente invention concerne une tôle d'acier au silicium non orienté de haute qualité et se rapporte plus particulièrement à une tôle d'acier au silicium non orienté dont les propriétés magnétiques sont excellentes et qui contient 1,5 à 3,5% de Si, un maximum de 0,015% de C et un maximum de 0,08% d'Al acidosoluble, du bore étant ajouté à l'acier pour obtenir un rapport équilibré de B à N et l'acier contenant en outre un élément des terres rares.
Parmi les tôles d'acier au silicium qui constituent des substances faiblement magnétiques, on peut citer les types suivants : une tôle d'acier au silicium à grains orientés, composée d'une texture collective recristallisée, exprimée critallographiquement par (110) 001 dont le plan (110) se situe dans le plan du laminage et son orientation 001 dans le sens du laminage; ainsi qu'un acier au silicium non orienté dont l'orientation est négligeable. Ces matériaux sont utilisés pour la formation de noyaux de fer dans des appareils électriques choisis pour des applications spécifiées conformément à leurs propriétés (magnétiques, mécaniques, etc) et à leur coût de production.
Par exemple, la tôle d'acier au silicium à grains orientés est généralement utilisée pour des transformateurs et des transformateurs de poteaux d'une grande capacité sans tenir compte de son coût élevé car elle possède d'excellentes propriétés magnétiques. Notamment, elle est très aisément magnétisable dans le sens du laminage, c'est-a-dire dans la direction 001 , a une très basse valeur de perte de wattage et a une très haute perméabilité.
Toutefois et d'autre part, la tôle d'acier au silicium non orienté est ordinairement classée selon les deux catégories suivantes : la tôle d'acier au silicium non orienté de basse qualité dont la teneur en Si se situe entre presque zéro et
1,5% et la tôle d'acier au silicium non orienté de haute qualité 1
ne contenant pas plus de 1,5% de Si. Comme ces matériaux ont une orientation tellement petite qu'elle devient négligeable et que leur coût est bas, ils sont largement utilisés pour des moteurs électriques de petites dimensions, des transformateurs de dimensions moyennes et des machines tournantes de moyennes à grandes dimensions.
Une propriété importante exigée de la tôle d'acier au silicium non orienté est la basse valeur de perte de wattage. La perte de wattage se compose principalement de la perte par hystérésis et de la perte par courants de Foucauld. En ce qui concerne la tôle d'acier au silicium non orienté, la perte par hystérésis est la plus efficacement réduite en communiquant une grande dimension aux grains de cristal et la perte par courants de Foucauld peut être réduite en augmentant la résistance spécifique de l'acier, c'est-à-dire autrement dit, en ajoutant un élément d'alliage tel que Si ou analogue.
Un moyen permettant d'agrandir la dimension des grains de cristal consiste en un recuit à haute température réalisé durant une période prolongée. Ceci est cependant désavantageux économiquement. Au surplus, comme un recuit en continu est ordinairement appliqué, de longs temps de recuit sont difficiles à obtenir.
On sait que la croissance inhibée de la dimension des grains de cristal est liée étroitement aux inclusions et aux précipités dispersés. La dimension des inclusions et des précipités et l'état de leur dispersion sont très importants. On considère en général que la présence d'un grand nombre de fins précipités et inclusions n'est pas bénéfique pour la croissance des grains de cristal. Comme substances contenues en phase dispersée dans la tôle d'acier au silicium non orienté, on peut citer divers oxydes tels que Al 0 , SiO et analogues et divers sulfures et nitrures, à savoir MnS et AIN.
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recueillir et de les faire flotter dans le haut comme des pro-
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et d'empêcher l'oxydation au moment de la coulée de la masse d'acier fondue dans des lingotières. Etant donné les progrès récents réalisés dans les techniques de production d'acier, l'inclusion d'oxydes peut être empêchée aisément.
Un procédé largement utilisé pour combattre les sulfures consiste à effectuer entièrement la désulfuration au cours du stade de la fabrication de l'acier, tout en ajoutant en même temps une quantité appropriée de Mn ou analogue et tout en maintenant ensuite la température de chauffage de la brame, avant le stade du laminage à chaud, à un niveau tellement bas que le MnS peut être transformé en une substance inoffensive pour la croissance des grains de cristal. Par suite de la mise en oeuvre de ce procédé, les sulfures ne posent pas de problèmes.
Pour supprimer l'inclusion des nitrures, le mieux est de maintenir la teneur en azote aussi basse que possible au cours du stade de la fabrication de l'acier. Il est néanmoins très difficile de réduire essentiellement la teneur en azote de L'acier au silicium à moins de 10 parties par million; environ
30 parties par million sont ordinairement présentes.
La combinaison de N avec Al utilisé pour la désoxydation, ou avec Al contenu dans l'alliage au silicium conduit à la formation de AIN. Comme une teneur en Al de l'ordre de 0,005 à 0,15% est néfaste pour la croissance des grains de cristal, il
a été d'usage, pour la production de la tôle d'acier au silicium
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de Si environ, de réduire la meneur en Al utilisé pour la désoxydation, aussi largement que possible, de préférence à moins de 0,005%. Au surplus, en ce qui concerne la tôle d'acier au sili-f
cium non orienté de haute qualité, ne contenant pas plus de 1,0 à 1,5% de Si environ, la teneur en Al est contrôlée de manière à ne pas être supérieure à 0,15% et AIN est précipité sous une forme inoffensive pour la croissance des grains de cristal lorsque la brame d'acier est chauffée.
Toutefois, dans le premier cas, on observe l'apparition d'inconvénients tels qu'une désoxydation insuffisante au cours du stade de la fabrication de l'acier, ou la formation de défauts à la surface de la tôle d'acier. Dans le second cas, le coût de la production augmente inévitablement par suite de la consommation d'une grande quantité d'aluminium coûteux.
Comme procédé efficace pour stabiliser la désoxydation durant le procédé de fabrication d'acier, tout en évitant l'augmentation du coût provoquée par l'utilisation de grandes quantités d'aluminium, la Demanderesse a mis au point précédemment un procédé peu coûteux de fabrication d'une tôle d'acier au silicium dont la valeur de perte de wattage est excellente grâce à l'addition de bore. On a constaté cependant que, si une tôle d'acier d'une très faible teneur en C (0,015% ou moins) est fabriquée selon ce procédé, les propriétés magnétiques du produit ne sont pas entièrement uniformes.
Par conséquent, un but de la présente invention consiste
à fabriquer une tôle d'acier au silicium non orienté dont les propriétés magnétiques sont uniformes, dont la teneur en B est contrôlée pour obtenir un rapport spécifique de B à N et qui contient en outre au moins un élément des terres rares.
D'autres buts et objectifs de la présente invention se dégagent nettement de la description détaillée ci-après établie en liaison avec les dessins annexés au présent mémoire et
dans lesquels :
la figure 1 est un diagramme montrant la relation existant entre la teneur en Si et le rapport du nitrure précipité à l'azote total; la figure 2 est un graphique montrant la relation entre la teneur en Ce et la valeur de perte de wattage; et la figure 3 est un diagramme permettant d'expliquer la variation des valeurs de perte de wattage.
La présente invention est relative à une tôle d'acier au silicium non orienté dont les propriétés magnétiques sont uniformes et qui contient " 0,015% de C, 1,5 à 3,5% de Si, 0,05 à 1,0% de Mn, 0,005 à 0,08% d'Al acidosoluble, � 0,015% de S,
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rapport de B à N de l'ordre de 0,4 à 2,0 et 0,001 à 0,02% d'au moins un élément des terres rares, le solde étant du Fe et les impuretés inévitables.
A la suite d'investigations détaillées effectuées par la Demanderesse sur le comportement de la précipitation du nitrure dans la très basse zone de C (0,015% ou moins), on a observé que, si l'acier contient 1,5% ou plus de Si, en particulier 2,0% ou plus de Si et 0,010% ou moins de C, la quantité de N précipité en tant que nitrure dans la tôle laminée à chaud est très petite, comme indiqué au tableau 1.
La figure 1 est le graphique montrant la relation entre le rapport (en %) du nitrure précipité à l'azote total et la teneur en Si (en %). La composition chimique de l'échantillon est la suivante : < 0,010% de C, 0,008 à 0,05% d'Al acidosoluble, < 0,005% de N et 0,0010 à 0,0050% de B.
On présume ainsi que la précipitation insuffisante de nitrure dans la tôle d'acier laminée à chaud est la cause de la variation de la valeur de perte de wattage dans la très basse zone de C.
En se fondait sur cette; présomption, la Demanderesse a entrepris des recherches qui ont conduit à la découverte selon laquelle la tendance à la légère variation de la valeur de f
perte de wattage peut être éliminée et les propriétés magnétiques deviennent uniformes grâce à la technique qui consiste à ajouter du bore à l'acier au silicium d'une très basse teneur en C et d'une basse teneur en Al acidosoluble, de façon que le rapport de B à N se situe dans les limites d'un ordre spécifique, et à contraindre en outre une petite quantité d'un élément des terres rares à coexister avec celui-ci.
La présente invention est à présent décrite en détail ciaprès.
L'acier utilisé pour produire un matériau magnétique conformément à l'invention, est fondu dans un four de raffinage d'acier, par exemple, un four électrique, un four à sole, un convertisseur ou analogue, puis est ensuite davantage raffiné au besoin dans un four de raffinage à vide pour réduire sa teneur en C à 0,015% ou moins, les quantités requises de Si, Al, Mn, B et d'élément des terres rares étant alors ajoutées à l'acier.
La teneur en C de l'acier est contrôlée par décarburation
au cours du stade de traitement postérieur de façon à ne pas dépasser 0,015%, puisque C exerce un effet de détérioration sur
les propriétés magnétiques et le vieillissement magnétique. Si la teneur en C dépasse 0,015%, le temps nécessaire à la décarburation doit être prolongé, ce qui entraîne un désavantage économique.
La teneur en Si est contrôlée en conformité avec le niveau de perte de wattage requis. Si la teneur en Si excède 3,5% néanmoins, la propriété d'écrouissage de l'acier est détériorée. Comme la présente invention vise à la production d'une tôle d'acier au silicium non orienté de haute qualité, la teneur en
Si doit être de l'ordre spécifiquement de 1,5 à 3,5%.
L'aluminium est ajouté pour désoxyder l'acier et une teneur en Al acidosoluble de moins de 0,005% conduit à une désoxydation insuffisante. Au surplus, une teneur en Al acidosoluble insuffi-<1>
sante pose des problèmes lors de la coulée de lingots, aboutit
à l'augmentation de défauts à la surface de l'acier produit et entraîne de pauvres rendements de bore et de l'élément des terres rares. Par conséquent, la teneur en Al ne doit pas être inférieure spécifiquement à 0,005%. D'autre part, une grande teneur en Al non seulement conduit à une augmentation du coût, mais supprime aussi l'effet de l'addition du bore et de l'élément des terres rares. Dans ces conditions, la teneur en Al ne doit pas être supérieure à 0,08%. L'ordre de grandeur préférable de la teneur en Al acidosoluble est de 0,015 à 0,050%.
Le manganèse est ajouté en une quantité non inférieure à 0,05% en vue d'empêcher une fracture due à la fragilité au cours du stade de laminage à chaud et de compenser la résistance spécifique de l'acier attribuable à la faible teneur en Al, de façon à réduire la perte de wattage. D'autre part, la limite supérieure de la teneur en Mn est fixée à 1,0% car les propriétés magnétiques de l'acier sont dégradées lorsque la teneur en Mn est excessive.
Comme le soufre est néfaste pour les propriétés magnétiques, il faut spécifier que sa teneur ne doit pas dépasser 0,015% et de préférence 0,007% au maximum.
En général, puisque l'oxygène agit pour détériorer les propriétés magnétiques et entraîne la consommation inutile du bore et de l'élément des terres rares, sa teneur est limitée à un niveau non supérieur à 0,010%.
Si l'azote dépasse un niveau de 0,005%, il agit de manière
à détériorer les propriétés magnétiques et entraîne un désavantage économique par suite de l'augmentation de la teneur requise en B décrite ci-dessous. Dès lors, la limite supérieure de la teneur en N est fixée à 0,005%.
La teneur en bore de l'acier est contrôlée de telle sorte que le rapport pondéral de B à N se range dans les limites d'un ordre spécifique. Notamment, le rapport pondéral de B à N se
situe spécifiquement dans un ordre de grandeur de 0,4 à 2,0, car
la perte de wattage augmente si ce rapport s'établit au-dessus
ou au-dessous de cet ordre. Lorsque l'élément des terres rares, mentionné plus haut, est également présent, l'ordre de grandeur préféré du rapport B/N, à partir du point de réduction de la
perte de wattage, est de 0,6 à 1,5.
Un autre élément important en plus du bore précité est l'élément des terres rares. Une teneur non inférieure à 0,001% d'au moins un élément des terres rares est nécessaire en vue d'empêcher la variation des propriétés magnétiques observées dans une certaine mesure dans le cas d'un acier au silicium à basse teneur en Al acidosoluble et à très basse teneur en C.
Si la teneur en élément des terres rares dépasse 0,02%, la quan-
tité d'inclusions augmente dans une mesure telle que ceci en- j traîne une détérioration des propriétés magnétiques. Par consé- quent, la teneur en élément des terres rares est spécifiquement de l'ordre de 0,001 à 0,020%.
Les résultats des recherches effectuées pour déterminer les ; valeurs de perte de wattage d'aciers au silicium à basse teneur en Al acidosoluble et à très basse teneur en C et contenant
aussi du Ce comme élément des terres rares, ainsi que du B, sont donnés à la figure 2.
En plus de Ce et de B, les échantillons des aciers contien-
nent 0,003 à 0,008% de C, 0,005 à 0,08% d'Al acidosoluble et
2,2% de Si.
A la figure 2 :
x indique qu'aucun B n'a été ajouté; 0 indique que le rapport B/N est au-dessous de 0,4 ou au-dessus de 2,0;
o indique que le rapport B/N est de l'ordre de 0,4 à
2,0.
Comme le montre clairement la figure 2, les aciers au silicium dont le rapport B/N est de l'ordre de 0,4 à 2,0 et qui contiennent également du Ce, font apparaître une basse valeur de perte de wattage. En particulier, les aciers au silicium d'une teneur en Ce de 0,001 à 0,020% ont une petite valeur de perte de wattage, ainsi que d'excellentes propriétés magnétiques. L'effet de la coexistence de B et de Ce est remarquable dans les aciers d'une très basse teneur en C ne dépassant pas 0,005%.
Au contraire, la valeur de perte de wattage est élevée dans le cas des aciers au silicium contenant du Ce seul ou dont le rapport B/N est inférieur à 0,4 ou supérieur à 2,0.
Comme élément des terres rares, on peut utiliser un mélange de métaux dont les nombres atomiques se situent entre 57 et 71. Un métal mixte qui contient environ 50% de Ce, le reste étant principalement du lanthane et du néodyme, est un exemple peu coûteux se rangeant dans cette catégorie. Le cérium est cependant préféré.
L'addition de l'élément des terres rares a lieu efficacement au moment où la désoxydation a été entièrement réalisée et où la mise au point de la composition a été achevée.
Dans la présente invention, une masse d'acier fondue, dont la composition est contrôlée, est coulée sous la forme d'une brame en mettant en oeuvre un procédé de coulée continue ou est coulée dans un moule pour former un lingot qui est en outre dégrossi en une brame. Par ailleurs, une brame obtenue en laminant à dimensions une brame de coulée continue, peut être utilisée.
La brame d'acier est ordinairement chauffée à une température de l'ordre de 1050 à 1250[deg.]C dans un four de chauffage, puis est laminée jusqu'à une épaisseur de l'ordre d'environ 1,5 à
3,0 mm. Après que la couche superficielle oxydée de la tôle laminée à chaud ait été éliminée, elle est laminée jusqu'à l'épaisseur du produit fini. Ensuite, la tôle laminée à chaud peut être soumise à un recuit ou à un double écrouissage, cas dans lequel le recuit est réalisé entre les deux opérations de laminage, ou encore à une combinaison de ces traitements.
La tôle écrouie est soumise à un recuit continu et est revêtue d'un film isolant pour obtenir le produit final.
Le procédé de coulée de la masse d'acier fondue en une brame ou un lingot et le traitement de cette brame ou de ce lingot peuvent être sélectionnés d'une manière quelconque désirée, sans s'écarter de l'esprit et de l'objet de la présente invention.
Exemple 1.
Des brames d'acier, dont les compositions sont données au tableau 1, sont produites en préparant l'acier dans un convertisseur, en le raffinant dans une cuve de dégazage à vide et en le transformant en brames selon le procédé de coulée continue. Ces brames sont portées à 1150[deg.]C dans un four de chauffage, sont laminées à chaud jusqu'à une épaisseur de 2,3 mm, et les tôles ainsi formées sont soumises à un recuit de 900[deg.]C comme requis, sont décapées, puis sont écrouies jusqu'à une épaisseur de 0,5 mm.
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950[deg.]C pendant une durée de 60 secondes. Les propriétés magnétiques d'un échantillon de test d'Epstein de chacun des aciers précités sont groupées au tableau 2.
Exemple 2.
Les échantillons n[deg.] 3 et 11 de l'exemple 1 sont choisis
à cause de leur très basse teneur en C et 20 tôles laminées à chaud sont préparées à partir de chaque échantillon, sont soumises à un décapage, à un écrouissage jusqu'à une épaisseur de 0,5 mm, puis à un recuit de 900[deg.]C pendant 60 secondes. La valeur moyenne de la perte de wattage et sa variation sont déterminées pour chacune des tôles.
La figure 3 est un diagramme montrant la variation des valeurs de perte de wattage concernant les échantillons n[deg.] 3 1
(en blanc) et n[deg.] 11 (hachures).
Tel que ceci se dégage de la figure 3, on constate que la présente invention est excellente en comparaison du matériau de référence, en ce sens que la charge se situe entre 3,6 et
4,0 W/kg aux valeurs de perte de wattage W15/50.
Les analyses, les valeurs moyennes de perte de wattage et la déviation standard des échantillons sont rassemblées au tableau 3.
D'après les résultats des exemples 1 et 2, il est bien certain qu'une tôle d'acier au silicium non orienté peut être fabriquée conformément à la présente invention.
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