Procédé de préparation d'acier possédant une facilité de travail améliorée. Cette invention est relative à un procédé d'introduction de plomb dans l'acier et con cerne principalement la classe des aciers d'usinage ou de filetage, ce par quoi on en tend ici les aciers se prêtant particulièrement aux opérations d'usinage. Elle n'est toutefois pas nécessairement limitée aux aciers de cette classe et concerne tous les types d'aciers des tinés à être soumis à des opération d'usinage.
Jusqu'à ce jour, les fabricants d'acier ont généralement utilisé le soufre à titre d'agent d'addition propre à améliorer la facilité avec laquelle l'acier se laisse travailler. Par exem ple, les aciers d'usinage, qui font l'objet d'une classification bien établie et reconnue, conte naient tous une proportion sensible de soufre à titre d'élément d'alliage. C'est ainsi que l'association américaine S. A. E. (Society of Automotive Engineers) a établi des spécifica tions normales pour les aciers d'usinage, en spécifiant les compositions chimiques qui sont considérées comme spécialement appropriées.
La table suivante contient les spécifications courantes:
EMI0001.0005
<I>Table <SEP> I.</I>
<tb> <I>Aciers</I> <SEP> S. <SEP> A. <SEP> E. <SEP> à <SEP> <I>coupe <SEP> libre, <SEP> c'est-à-dire <SEP> se <SEP> laissant <SEP> aisément <SEP> travailler <SEP> par <SEP> des <SEP> outils <SEP> à <SEP> couper.</I>
<tb> S. <SEP> A. <SEP> E. <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Teneur <SEP> en
<tb> N <SEP> carbone <SEP> manganèse <SEP> phosphore <SEP> soufre
<tb> 1112 <SEP> 0,08-0,16 <SEP> 0,60-0,90 <SEP> 0,09-0,13 <SEP> 0,10-0,20
<tb> X1112 <SEP> 0,08-0,16 <SEP> 0,60-0,90 <SEP> 0,09-0,13 <SEP> 0,20-0,30 1115 <SEP> 0,10-0,20 <SEP> 0,70-1- <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> 0,075-0,15
<tb> 1120 <SEP> 0,15-0,25 <SEP> 0,60-0,90 <SEP> 0,045 <SEP> max.
<SEP> 0,075-0,15
<tb> X1314 <SEP> 0,10-0,20 <SEP> 1,00-1,30 <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> 0;075-0,15
EMI0002.0001
S. <SEP> A. <SEP> E. <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Teneur <SEP> en
<tb> NO <SEP> carbone <SEP> manganèse <SEP> phosphore <SEP> soufre
<tb> Y1315 <SEP> 0,10-0g0 <SEP> 1,311-1,6<B>0</B> <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> <B>0</B>,075-0,15
<tb> Y1330 <SEP> 0,5-0,35 <SEP> 1.,35-1,65 <SEP> (),045 <SEP> niax. <SEP> 0,075--0,'1-5
<tb> 11335 <SEP> 0,30-0,40 <SEP> <B>1</B>,35-1,65 <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> (),l.)75-0,15
<tb> Y134() <SEP> 0,35-0,45 <SEP> 1,35-1,65 <SEP> 0,045 <SEP> max.
<SEP> 0,07<B>5</B>--0,15 On remarquera due ces aciers sont tous ca ractérisés par des teneurs en soufre plus éle vées (0,075-0,3()(%) (lue celles habituelles dans les aciers ne rentrant pas dans la classe des aciers d'usinage.
On peut dire (lue<B>le</B> fait d*augmenter ainsi la teneur en soufre con ,sti- tue la méthode couramment adoptée pour améliorer la facilité avec laquelle les aciers s,@a laissent travailler et les faire rentrer dans la classe des aciers d'usinage.
L'utilisation du soufre sorts des teneurs relativement élevées de ce genre en vue d'a méliorer la facilité de travail des aciers pré- ..ente certains inconvénients et limitations im portants. Elle tend à provoquer des ennuis dans le travail à chaud de l'acier, par exem ple au cours du laminage du lingot.
C'est pourquoi il est de pratique courante d'effec tuer le travail à chaud de ces aciers à coupe libre contenant des teneurs en soufre relative ment élevées à des températures plus élevées que dans le cas des aciers de moindre teneur en soufre.
De même. il est de pratique cou rante, dans la métallurgie, d'utiliser des te neurs relativement élevées en manganèse, lors qu'on élève la teneur en soufre, afin d'éviter ou réduire au minimum le caractère rouverin (le l'acier, c'est-à-dire d'éviter le caractère cassant ou le manque de résistance mécanique de l'acier au rouge.
De plus, l'utilisation d'une trop grande quantité de soufre dans l'acier, même si elle rentre dans les échelles données ci-dessus, a tendance à communiquer à l'acier des propriétés physiques préjudiciables, telles qu'une faible ductilité.
Sous certaines conditions, un accroisse ment de la teneur en phosphore tend à amé liorer la. facilité de travail des aciers. Ceci s'applique particulièrement aux aciers n'ayant qu'une faible teneur en carbone, lesquels ers sont relativement doux et tendent. à # <B>aci</B> s'étirer pendant l'opération d'usinage.
On a reconnu (lite l'accroissement de la teneur en phosphore peut avoir pour effet de remédier .'( cet inconvénient. Toutefois, l'amélioration susceptible d'être ainsi apportés, à la facilité de travail des aciers par l'accroissement de leur teneur en phosphore est limitée.
Une trop grande quantité de phosphore peut don ner à l'acier une dureté exagérée et diminuer la (bzct:ilité désirée. Dans certaines classes d'aciers, un certain degré de ductilité est tté- cessaire, et il n'est pratiquement pas possible d'augmenter la teneur en phosphore en vue de l'obtention d'un acier d'usinage en raison (le la, tendance qui en résulte à la diminution de la ductilité.
Les aciers Wssener donnent normalement de meilleurs aciers d'usinage que les aciers Martin.
Toutefois, les aciers Bessemer sont actuellement d'un prix de revient un peu plus élevé est sont plus difficiles à régler, en ce (lui concerne<B>la</B> composition, que les aciers Martin, outre que certaines aciéries n'ont pas de fours Bessemer. Pour ces maisons, et d auires. 1 < r de- tnandc en aciers Martin, dans ces dernières an- nées,
a augmenté aux dépens de la demande e n aciers Bessemer. TI serait par conséquent très intéressant de fabriquer des aciers Mar tin ayant une aussi bonne facilité de travail que les aciers Bessemer. Il n'a toutefois pas été possible de réaliser ce desideratum en aug mentant, la teneur en soufre sans nuire à des propriétés physiques importantes.
Bien due des progrès considérables aient été apportés aux aciers en ce qui concerne leur facilité de travail, principalement par l'ac croissement. de la teneur en soufre et bien qu'on dispose maintenant dans l'industrie d'au moins neuf aciers qui sont énumérés dans les spécifications de la S. A. E., de sorte qu'on peut choisir dans ces types selon la facilité de travail requise et les propriétés mécaniques que doit posséder le produit fini, il reste beaucoup à faire en ce qui concerne l'amélioration désirable des caractéristiques d'usinage des aciers.
Ceci s'applique particu lièrement dans le cas où une telle améliora tion peut être obtenue sans sacrifier d'autres caractéristiques désirables, telles qu'une bonne caractéristique de travail à chaud, une ductilité adéquate et d'autres propriétés phy siques. On sait que des recherches approfon dies ont été faites en vue d'améliorer les aciers d'usinage en modifiant les composi tions chimiques et que de nouveaux procédés ont été étudiés qui consistent à ajouter des éléments tels que le soufre, le phosphore, le manganèse et le carbone et à, faire varier la quantité d'oxygène retenue dans l'acier.
L'invention est basée principalement sur cette découverte qu'on peut grandement amé liorer la facilité avec laquelle l'acier se laisse travailler en y incorporant du plomb, que ce soit à, titre d'élément destiné à remplacer une partie du soufre habituellement utilisé dans les aciers d'usinage ou en addition à ce soufre, ou en introduisant des proportions convenables de ce métal dans des aciers qui ne rentrent pas normalement dans la classe des aciers d'usinage. Contrairement à ce qui était généralement admis par les chercheurs dans l'art en question, on a découvert qu'on peut incorporer le plomb à l'acier fondu et que, s'il est introduit en proportions convenables et d'une manière convenable, il sera retenu dans l'acier fini.
De plus, on a découvert que le plomb ainsi incorporé améliore grandement la facilité avec laquelle l'acier se laisse tra vailler sans que les propriétés mécaniques de cet acier soient modifiées dans une mesure appréciable et sana que cette incorporation présente l'inconvénient qui résulte de l'utili sation du soufre pour le but envisagé. La nouveauté de cette découverte est accentuée par le fait que de nombreux chercheurs ont étudié les alliages de fer et de plomb et ont publié dans la littérature technique que le plomb est insoluble dans le fer.
La demanderesse n'ignore pas que certains titulaires de brevets antérieurs .ont proposé l'utilisation du plomb dans les métaux fer reux, mais les suggestions de ce genre ou bien envisageaient l'utilisation du plomb dans la fonte de fer ou un acier spécial, ou bien étaient plus ou moins basées sur cette idée générale que le plomb purifierait l'acier ou en modifierait la nature, de manière à ré duire au minimum les défauts que possèdent les lingots faits de cet acier. Dans certains cas, les quantités de plomb proposées étaient si. grandes qu'elles indiquent un manque com plet de compréhension des points de vue pra tiques de la fabrication et de la vente de l'acier.
En tous. cas, aucun des brevets dont la demanderesse ait eu connaissance n'a en seigné ni même suggéré que l'introduction du plomb dans les aciers normaux était suscep tible d'en améliorer la facilité de travail, pas plus qu'aucun chercheur ou inventeur n'avait suggéré que, introduit dans l'acier en propor tions appropriées, le plomb serait susceptible de convertir l'acier traité en un acier d'usi nage, soit seul, soit en combinaison avec le soufre ou tout autre élément.
La présente invention a donc pour objet un procédé de préparation d'acier possédant une facilité de travail améliorée par addition de plomb,- qui est earactérisé par le fait qu'on introduit le plomb dans l'acier fondu sous une forme telle que le plomb entre à l'état divisé en contact avec la fonte, de façon qu'il y soit retenu.
Cette adjonction peut s'effectuer de di verses façons, qui seront décrites ci-après plus en détail.
On a trouvé que le nouveau procédé d'in troduction est si supérieur aux procédés an térieurs qu'il constitue un progrès marqué sur ces derniers. La forme exacte sous laquelle le plomb existe dans l'acier fini, lorsqu'il est introduit suivant l'invention, n'est pas connue d'une façon précise à l'heure actuelle. On sait toutefois que les aciers au plomb établis par le procédé suivant l'invention possèdent certaines microstructures caractéristiques qu'on peut mettre en évidence par la techni que métallographique et que ces structures caractérisent ces aciers au plomb qui ont été améliorés en ce qui concerne la facilité avec laquelle ils se laissent travailler.
En introduisant du plomb dans de l'acier fondu, on a. trouvé que, lorsqu'on place le plomb sur la partie supérieure d'un bain d'a cier fondu sous forme (le blocs assez gros, il arrive fréquemment qu'il se dépose directe ment au fond dix bain, de sorte que seule une très petite proportion de ce métal se disperse dans toutes les parties du bain et que la ma jeure partie du plomb introduit se retrouve finalement au fond du récipient. De même. si l'on introduit le plomb sous forme de tronçons ou grains relativement gros, ces morceaux se déposent individuellement au fond du récipient ou se combinent sous forme d'une ou plusieurs masses qui se déposent aussi au fond du récipient.
Il semble que dès que le plomb s'est déposé au fond du réci pient, il reste à cet endroit sous forme d'une couche métallique séparée et ne se répartit pas notablement dans toutes les parties du bain. II en résulte que dans le lingot d'acier qui est finalement constitué à l'aide du bain. la quantité de plomb qu'on retrouve à l'état dispersé dans la masse du lingot est si faible chie l'effet avantageux du plomb dans l'a- cier est pour ainsi dire annihilé.
En raison de ces inconvénients, la demanderesse a ima giné le procédé suivant l'invention pour in troduire le plomb dans l'acier en vue d'amé liorer la facilité avec laquelle l'acier se laisse travailler et a constaté que ce procédé est extrêmement avantageux. Par exemple, elle a trouvé qu'il est très avantageux d'introduire le plomb dans l'acier fondu sous forme d'un constituant de la galène minérale (PbS avec environ 86,6 % de Pb et 13,4 % de S) à l'état finement divisé. La galène se décompose dans la fonte et le plomb entre en contact avec elle au moment de sa libération.
De même, la de manderesse a découvert qu'on peut ajouter le plomb à l'acier fondu sous forme de plomb à l'état divisé ou de particules relativement petites de plomb métallique. Le plomb peut être sous forme de chevrotine ou de grenaille de divers calibres. Il peut être sous forme de cubes d'environ 2,5 cm de côté. Toutefois, il est préférable de l'introduire sous forme de plomb finement divisé pour passer à tra vers des tamis allant du no 10 au no 50.
En fait; on peut introduire le plomb sous de nombreuses formes d'alliages ou composés finement divisés dans un bain d'acier en vue d'améliorer la facilité avec laquelle l'acier fi nalement produit se laisse travailler. Quel ques-unes de ces formes ont été essayées et sont indiquées dans la table ci-dessous.
EMI0004.0016
Alliage <SEP> plomb-étain-antimoine, <SEP> rapport <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> :l
<tb> Galène <SEP> (PbS)
<tb> Plomb <SEP> pur
<tb> Alliage <SEP> plomb-étain <SEP> Pb <SEP> <B>60%,</B> <SEP> Sn <SEP> 40
<tb> Alliage <SEP> plomb-cuivre-étain <SEP> Pb <SEP> 3<B>2%,</B> <SEP> Cu <SEP> <B>66%,</B> <SEP> Sn <SEP> 2 <SEP> %
<tb> Litharge <SEP> Pb0
<tb> Phosphate <SEP> de <SEP> plomb <SEP> Pb3(P04)\
<tb> Alliage <SEP> plomb-étain <SEP> (1,5% <SEP> Sn)
<tb> Alliage <SEP> plomb-calcium <SEP> (0,6 <SEP> % <SEP> Ca)
<tb> Alliage <SEP> plomb-bismuth <SEP> (3% <SEP> Bi)
<tb> Alliage <SEP> plomb-arsenic <SEP> (1,1 <SEP> % <SEP> As)
<tb> Alliages <SEP> plomb-cadmium <SEP> <B>(0,5%</B> <SEP> Cd <SEP> et <SEP> 1,6 <SEP> % <SEP> Cd)
<tb> Alliage <SEP> plomb-tellure <SEP> <B>(0,1%</B> <SEP> Te)
<tb> Alliage <SEP> plomb-antimoine <SEP> <B>(1,
7%</B> <SEP> Sb)
<tb> Alliage <SEP> plomb-lithium <SEP> (0,1 <SEP> % <SEP> Li)
<tb> Alliages <SEP> plomb-zinc <SEP> <B>(0,3%</B> <SEP> Zn <SEP> et <SEP> 0,9 <SEP> % <SEP> Zn)
EMI0005.0001
Alliage <SEP> plomb-sodium <SEP> (0,3 <SEP> % <SEP> Na)
<tb> Alliage <SEP> plomb-magnésium <SEP> (0,3 <SEP> % <SEP> Mg)
<tb> Alliage <SEP> plomb-manganèse-fer <SEP> (20 <SEP> % <SEP> Pb, <SEP> 46 <SEP> % <SEP> Mn, <SEP> 33 <SEP> % <SEP> Fe)
<tb> PbS, <SEP> FeS <SEP> (64 <SEP> % <SEP> Pb-13 <SEP> % <SEP> Fe-17 <SEP> % <SEP> S)
<tb> Alfiag <SEP> e <SEP> Pb-Fe-S Il a été démontré que le plomb peut être incorporé à l'acier par tous les agents d'addi tion ci-dessus, et l'on a obtenu des rendements allant de 15 à 64% du plomb employé. Ces rendements dépendent. de plusieurs facteurs.
Il semble qu'on augmente la. teneur de l'acier en plomb, sous certaines conditions, en aug mentant le temps qui s'écoule entre l'addition chi plomb et la coulée de l'acier surtout si le métal est maintenu en agitation ou circu lation. Le rendement obtenu a été meilleur lorsqu'on a. effectué des additions relative ment petites, telles que 0,4%, que lorsqu'on a effectué des additions plus grandes, telles que 1,5%. La composition chimique de l'acier peut avoir quelque influence sur le rende ment en plomb, mais cette relation n'a pas été déterminée d'une façon nettement définie. Comme on le verra par ce qui suit, on a ajouté du plomb à des aciers de compositions très diverses.
La solubilité du plomb dans l'acier fondu et l'acier solide n'est pas connue exactement, mais on a obtenu un acier contenant 0,53 de plomb et constaté que, jusqu'à cette va leur, l'accroissement de la teneur en plomb continue à améliorer la facilité de travail. Ijorsqu'on ajoute du plomb en quantités telles que 0,8 à 1,5 %, on note qu'une partie du plomb a tendance à se déposer au fond du récipient en raison de sa densité élevée.
Il est toutefois probable que, par une longue durée de maintien à la température de fabrication de l'acier et par l'application du procédé le plus favorable d'addition du plomb à l'acier, la teneur de celui-ci en plomb peut être élevée notablement au-dessus de<B>0,53%,</B> qui est la valeur maximum ayant été obtenue jusqu'ici dans les charges fondues pour les essais.
L'addition de plomb à un acier de teneur en soufre relativement élevée (environ 0,2 % S), d'une part, et à un acier de teneur en soufre relativement faible (environ <B>0,03%</B> S), d'autre part, a aussi été étudiée, et il ne semble pas qu'il y ait une différence essentielle dans les quantités de plomb rete nues dans les aciers ou dans les teneurs rela tives en plomb des acier obtenus. On a trouvé que l'addition de plomb tant à des aciers contenant un faible pourcentage de soufre qu'à des aciers contenant un pourcentage élevé de soufre améliore nettement la facilité de travail de ces aciers.
Lorsqu'on ajoute le plomb sous forme de galène, on augmente la teneur en soufre de l'acier en raison de la pré sence de soufre dans la galène.
On a ajouté du plomb à des aciers ayant des teneurs en maganèse de 0,8 et 1,35 % et l'on a obtenu sensiblement les mêmes teneurs en plomb et apporté les mêmes améliorations à la facilité de travail. De même, on a ajouté du plomb à des aciers de 0,03 à 0,25 % de silicium sans qu'on constate de différence dans la quantité de plomb retenu et dans l'effet de ce plomb sur la facilité avec la quelle l'acier se laisse travailler.
Les recherches de la demanderesse ont montré que le plomb peut être ajouté à diffé rents stades de la fabrication de l'acier.
Le plomb sous des formes diverses fine ment divisées, tel que le plomb métallique, le sulfure de plomb et d'autres composés, a été ajouté dans le four de fusion à la charge fon due. Il a aussi été ajouté graduellement dans la poche de coulée, au moment où l'on reti rait l'acier du four ou d'une poche plus grande. Bien qu'on puisse introduire le plomb avec la charge dans le four Martin, par exemple, il est préférable de ne pas l'intro duire de cette façon à causer du risque d'une fusion prématurée du plomb et d'une attaque des réfractaires du four par ce métal.
Lorsque l'acier a été fondu, on peut ajou ter le plomb avec moins de risque d'attaque des réfractaires du four. Les façons préférées d'ajouter le plomb consistent: A l'ajouter, à. l'état finement divisé, à la charge d'acier fondu avant la coulée.
A l'introduire, à l'état finement divisé, dans la poche au moment où l'on coule l'acier fondu du four dans la poche.