EP0051511B1 - Cylindre de laminage à froid fabriqué par coulée et son procédé de fabrication - Google Patents

Cylindre de laminage à froid fabriqué par coulée et son procédé de fabrication Download PDF

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EP0051511B1
EP0051511B1 EP81401594A EP81401594A EP0051511B1 EP 0051511 B1 EP0051511 B1 EP 0051511B1 EP 81401594 A EP81401594 A EP 81401594A EP 81401594 A EP81401594 A EP 81401594A EP 0051511 B1 EP0051511 B1 EP 0051511B1
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temperature
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metal
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Jacques Bocquet
Jean-Claude Werquin
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Union Siderurgique du Nord et de lEst de France SA USINOR
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • 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
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/38—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for roll bodies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
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    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
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    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
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    • Y10T428/12958—Next to Fe-base component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/12972—Containing 0.01-1.7% carbon [i.e., steel]
    • Y10T428/12979—Containing more than 10% nonferrous elements [e.g., high alloy, stainless]

Definitions

  • the present invention relates to working rolls for cold rolling of ferrous and non-ferrous metals, which are of the composite type and obtained by casting.
  • the internal tensions induced by the water quenching treatment are such that it may be necessary to resort to remelting under slag, in order to obtain a perfect crystallization.
  • the chromium content of these cylinders can then reach 5 to 7%.
  • FR-A-2 081 561 describes such a cylinder in which the metal of the external layer is a cast iron with a high chromium content and the core is in lamellar or nodular cast iron.
  • the present invention aims to remedy these two important drawbacks, while retaining the qualities inherent in this type of cylinder obtained by molding, the essential qualities of which are good resistance to softening and a great depth of the usable part over the diameter. .
  • the present invention thus relates to a bimetallic composite cylinder for cold rolling obtained by molding, and consisting of a ferrous alloy casing and a core of lamellar or nodular cast iron, characterized in that the casing metal consists of a steel having a chromium content of 8 to 16% and a carbon content of 0.65 to 0.95%, the chromium / carbon ratio being between 11 and 16 and the structure of the shell metal being martensitic with a residual austenite content less than 10% and a hardness greater than 700 HV.
  • the structure of the metal cylinder is preferably obtained by a heat treatment process which consists first of all in subjecting the cylinder to an austenitization treatment at a temperature above 900 ° C. for a time from 8 to 24 hours, then after quenching in air or in the blown himid air stopped at a temperature of 450 to 550 ° C, the temperature is maintained at 500-550 ° C for 8 to 24 hours, then cooled the cylinder by air quenching to room temperature and finally the cylinder is subjected to an income for reactivation of the austenite at a temperature between 400 and 450 ° C for a time of 8 to 24 hours.
  • the austenitization treatment is preferably carried out at a temperature between 1000 and 1050 ° C., for a time of 8 to 24 hours.
  • the cylinder is then subjected to quenching by blowing ambient air or himid air or any other equivalent known means, which is preferably stopped when the cylinder temperature reaches 500 to 520 ° C.
  • the cylinder is then maintained for 8 to 24 hours, in an enclosure brought to the temperature indicated above from 500 to 550 ° C, in order to balance the temperatures between heart and skin.
  • the cylinder temperature is then brought back to the value of the ambient temperature by a new quenching in air.
  • the cylinder is finally subjected to a tempering treatment at a temperature between 400 and 450 ° C, for 8 to 24 hours.
  • the composite cylinder according to the present invention comprises a layer of envelope metal having a preferred thickness of 30 to 70 mm, which is preferably produced by centrifugation.
  • This shell metal is a steel with a high chromium and carbon content, preferably having the following composition:
  • the core metal is preferably a nodular cast iron having the following composition:
  • composition and heat treatments defined above make it possible to explain the obtaining of the five properties set out above for the following reasons.
  • the low-alloyed core metal therefore consists of a nodular or lamellar cast iron which makes it possible to obtain both good mechanical characteristics and good cirstallization, these two properties being essential to withstand the tensile stresses induced by the martensitic quenching of the envelope metal.
  • the analysis of the envelope metal is chosen with a composition close to that of the matrix of cold working cylinders made of high chromium content cast iron previously used in the art.
  • the income used on the highly alloyed steel grade according to the present invention does not lead to a transformation of the austenite into bainite, but to a reactivation of the residual austenite which is transformed, upon cooling, into martensite, at l exclusion of any bainite training.
  • the new composite cylinder according to the present invention achieves a hardness of 700 HV (Vickers hardness) with a residual austenite content of 30 to 40%.
  • composition of the new alloy according to the present invention is calculated, in particular with regard to the carbon and chromium content, to achieve a slightly hypereutectoid composition, in order to avoid the presence of these harmful ledeburitic carbides.
  • Chromium can be considered to have an equivalent carbon coefficient of 0.05.
  • the best report which determines the chromium content of the matrix with the austenitization temperature, has been determined experimentally on a whole series of carbon-chromium alloys, and should preferably be between 11 and 16.
  • the other elements namely Si and Mn, are found in the usual ranges for analyzes of cast steels.
  • Nickel and manganese are deliberately limited to 0.7% to avoid their stabilizing effect on the residual austenite.
  • Molybdenum and vanadium improve the hardening resistance of austenite and are found in the usual grades of cold working chrome steels (classes 80 and 90 of the American classification).
  • New molded bimetallic composite cylinders are thus obtained which exhibit exceptional softening resistance by tempering the matrix.
  • a cylinder according to the present invention has been produced using an envelope metal and a core metal having the following compositions.
  • the cylinder thus obtained is subjected to an austenitization treatment for 24 hours at 1000 ° C., then to a quenching with blown air which is stopped at a temperature of 520 ° C. The temperature of the cylinder is then maintained at a value of 520 ° C. for 20 hours, then the cylinder is cooled to ambient temperature by air quenching.
  • This cylinder is then subjected to tempering at a temperature above 400 ° C., for 20 hours, which makes it possible to obtain, at the end of the treatment, a hardness of 780 HV over 50 mm on the radius.
  • This cylinder was used for the cold rolling of thin sheets and confirmed the advantages stated previously in the course of the description.

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Description

  • La présente invention est relative à des cylindres de travail pour laminage à froid de métaux ferreux et non ferreux, qui sont du type composite et obtenuspar coulée.
  • On utilisait antérieurement, pour la fabrication de tels cylindres de travail pour laminage à froid, des cylindres en acier forgé trempé à l'eau dans des nuances à carbone de 0,8 à 0,9% et à chrome de 1,8 à 3%. Ces cylindres forgés doivent avoir une parfaite santé interne pour supporter les tensions considérables induites lors de la trempe martensitique par un refroidissement brutal à l'eau.
  • Dans certains cas, notamment lorsqu'on recherche de très fortes profondeurs de trempe, les tensions internes induites par le traitement de trempe à l'eau sont telles qu'il peut être nécessaire de recourir à une refusion sous laitier, afin d'obtenir une cristallisation parfaite. La teneur en chrome de ces cylindres peut alors atteindre 5 à 7%.
  • Une compétition s'est engagée entre forgerons pour accroître la profondeur de trempe, afin d'augmenter la partie utilisable du cylindre dans le laminoir, sans avoir à le retremper. Ainsi, de 30 mm il y a une dizaine d'années on est passé à une partie utilisable de 70 mm sur le diamètre. Cette compétition n'a néanmoins pas apporté d'amélioration sensible en ce qui concerne la résistance à l'adoucissement qui caractérisé, dans une certaine mesure, la résistance aux incidents le laminage.
  • Plus récemment, les fabricants de cylindres moulés ont introduit sur le marché un nouveau type de cylindre constitué d'une couche externe en fonte à haute teneur en chrome et d'un coeur en fonte lamellaire ou nodulaire. Ces cylindres, qui se caractérisent tout à la fois par une haute résistance à l'adoucissement, et donc aux incidents, et par une forte possibilité d'utilisation sur le diamètre ( >70 mm), prennent sur le marché une place de plus en plus importante, venant ainsi concurrencer les cylindres forgés réalisés jusqu'alors.
  • Ainsi FR-A-2 081 561 décrit un tel cylindre dont le métal de la couche externe est une fonte à haute teneur en chrome et le coeur est en fonte lamellaire ou nodulaire.
  • Ces cylindres en fonte à haute teneur en chrome, dont les duretés atteignent celles des cylindres en acier forgé trempé à l'eau, présentent cependant des inconvénients qui en freinent l'utilisation dans les laminoirs:
    • - Ils présentent une grande difficulté de rectification.
      En effet, la durée de rectification de ces cylindres entre deux montages de laminage atteint, pour une même retouche, un temps au moins double de celui d'un cylindre en acierforgé.
    • - Ils sont plus difficiles à grenailler que les cylindres forgés.
      On peut même noter qu'il est parfois impossible, notamment lorsque les cylindres en acier moulé sont très durs, d'obtenir de fortes rugosités.
  • La présente invention vise à remédier à ces deux inconvénients importants, tout en conservant les qualités inhérentes à ce type de cylindres obtenus par moulage, dont les qualités essentielles sont une bonne résistance à l'adoucissement et une grande profondeur de la partie utilisable sur le diamètre.
  • La présente invention a ainsi pour objet un cylindre composite bimétallique pour laminage à froid obtenu par moulage, et constitué d'une enveloppe en alliage ferreux et d'un coeur en fonte lamellaire ou nodulaire, caractérisé en ce que le métal d'enveloppe est constitué d'un acier ayant une teneur en chrome de 8 à 16% et en carbone de 0,65 à 0,95%, le rapport chrome/carbone étant compris entre 11 et 16 et la structure du métal d'enveloppe étant martensitique avec une teneur en austénite résiduelle inférieure à 10% et d'une dureté supérieure à 700 HV.
  • La structure du cylindre métallique, dont la composition est définie précédemment, est de préférence obtenue par un procédé de traitement thermique qui consiste tout d'abord à soumettre le cylindre à un traitement d'austénitisation à une température supérieure à 900° C pendant un temps de 8 à 24 heures, puis après trempe à l'air ou à l'air himide soufflé arrêtée à une température de 450 à 550° C, on maintient la température à 500-550°C pendant 8 à 24 heures, on refroidit alors le cylindre par trempe à l'air jusqu'à la température ambiante et on soumet enfin le cylindre à un revenu pour réactivation de l'austénite à une température comprise entre 400 et 450° C pendant un temps de 8 à 24 heures.
  • Le traitement d'austénitisation est de préférence conduit à une température comprise entre 1000 et 1050°C, pendant un temps de 8 à 24 heures. Le cylindre est ensuite soumis à une trempe par soufflage d'air ambiant ou d'air himide ou tout autre moyen connu équivalent, qui est de préférence arrêtée lorsque la température du cylindre atteint 500 à 520° C. On maintient alors le cylindre, pendant 8 à 24 heures, dans une enceinte portée à la température indiquée précédemment de 500 à 550°C, afin d'équilibrer les températures entre coeur et peau. On ramène alors la température de cylindre à la valeur de la température ambiante par une nouvelle trempe à l'air. Le cylindre est enfin soumis à un traitement de revenu à une température comprise entre 400 et 450° C, pendant 8 à 24 heures.
  • Les cylindres définis précédemment, ayant les compositions et obtenus à la suite des traitements thermiques définis ci-dessus présentent les cinq propriétés essentielles suivantes:
    • 1. Utilisation de millimètres utiles jusqu'à 100 sur le diamètre.
    • 2. Résistance à l'adoucissement à chaud exceptionnelle au moins jusqu'à 450° C.
    • 3. Haute dureté pour éviter les marques et augmenter la tenue du grenaillage.
    • 4. Facilité de rectification égale à celle des cylindres en acierforgé.
    • 5. Facilité de grenaillage avec obtention aisée de fortes rugosités.
  • Ces cinq propriétés réunies sur un seul type de cylindre constituent un progrès notable par rapport à l'état actuel de la technique, qui ne permettait pas jusqu'à présent de concilier tous ces avantages. Le cylindre composite selon la présente invention comporte une couche de métal d'enveloppe ayant une épaisseur préférée de 30 à 70 mm, qui est de préférence réalisée par centrifugation.
  • Ce métal d'enveloppe est un acier à haute teneur en chrome et en carbone, présentant de préférence la composition suivante:
    Figure imgb0001
  • Le métal de coeur est de préférence une fonte nodulaire ayant la composition suivante:
    Figure imgb0002
  • Les composition et traitements thermiques définis ci-dessus permettent d'expliquer l'obtention des cinq propriétés énoncées précédemment pour les raisons suivantes.
    • 1. Forte couche utile (jusqu'à 100 mm sur le diamètre)
  • Ceci est obtenu à l'aide d'une transformation martensitique sur toute l'épaisseur utile et, grâce à des tensions internes induites maintenues au plus bas niveau. La transformation martensitique est obtenue par refroidissement à l'air et l'effet de trempe est limité par la liaison de la couche utile du métal d'enveloppe avec un métal de coeur donnant lors du refroidissement à l'air une transformation perlitique.
  • Le métal de coeur, peu allié, est donc constitué d'une fonte nodulaire ou lamellaire qui permet d'obtenir tout à la fois de bonnes caractéristiques mécaniques et une bonne cirstallisation, ces deux propriétés étant essentielles pour supporter les contraintes de traction induites par la trempe martensitique du métal d'enveloppe.
    • 2. Résistance à l'adoucissement à chaud
  • L'analyse du métal d'enveloppe est choisie avec une composition voisine de celle de la matrice des cylindres de travail à froid en fonte à haute teneur en chrome antérieurement utilisée dans la technique. Les revenus utilisés sur la nuance d'acier très alliée selon la présente invention ne conduisent pas à une transformation de l'austénite en bainite, mais à une réactivation de l'austénite résiduelle qui se transforme, lors du refroidissement, en martensite, à l'exclusion de toute formation de bainite.
  • Pour obtenir la réactivation de l'austénite résiduelle, il est nécessaire de monter à des températures de plus de 400° C, sans pour autant que la martensite de trempe soit fortement adoucie.
    • 3. Hautes duretés
  • Après trempe à l'air, le nouveau cylindre composite selon la présente invention permet d'atteindre une dureté de 700 HV (dureté Vickers) avec une teneur en austénite résiduelle de 30 à 40%.
  • Après revenu, la réactivation de cette austénite permet d'obtenir des duretés de 760 à 800 HV. Ces niveaux de haute dureté sont ceux que l'on obtient habituellement en laminage à froid avec des cylindres en acier forgé traditionnel.
    • 4. Facilité de rectification
  • Cette propriété est obtenue par l'élimination de la présence de carbures lédéburitiques de type M7C3 qui étaient antérieurement présents dans les cylindres moulés selon la technique antérieure.
  • En effet, on peut expliquer le comportement singulier à la rectification et au grenaillage de ces cylindres selon la technique antérieure, comme étant la conséquence de la présence dans la structure de la fonte d'une forte quantité de carbures de chrome du type M7C3 dont la dureté individuelle peut atteindre 1700 HV. Ces carbures, solidement enchâssés dans une matrice martensitique également dure (700 HV), s'opposent évidemment à l'abrasion de la meule, ainsi qu'à la déformation de la grenaille, qui n'atteint pas, loin s'en faut, leur dureté (la grenaille la plus dure atteint 900 à 940 HV). L'étude du comportement en service de ces cylindres en fonte à haute teneur en chrome, selon la technique anterieure, a permis de conclure que la phase de carbures du type M7C3 ne jouait pas un rôle important au cours du laminage, mais provoquait, par contre, les inconvénients constatés lors de la rectification et du grenaillage.
  • La composition du nouvel alliage selon la présente invention est calculée, notamment en ce qui concerne la teneur en carbone et en chrome, pour atteindre une composition légèrement hypereutectoîde, afin d'éviter la présence de ces carbures lédéburitiques nuisibles.
    • 5. Facilité de grenaillage, notamment pour les fortes rugosités
  • Là, également l'absence des carbures massifs de type M7C3 très durs permet un meilleur travail de déformation plastique de la grenaille projetée, ainsi que cela a été expliqué ci-dessus.
  • L'étude de la composition de l'alliage d'enveloppe du cylindre selon la présente invention, dont le carbone et le chrome constituent les deux éléments principaux, permet de dégager les conclusions suivantes.
  • On peut considérer que le chrome présente un coefficient de carbone équivalent de 0,05.
  • Il apparaît ainsi que la composition légèrement hypereutectoîde de l'alliage est donc équivalente, en ce qui concerne l'apparition de la lédéburite à un acier de composition 0,7 + 11 x 0,05 = 1,25% de carbone pour la teneur maximale en chrome.
  • On vérifie ainsi que cette teneur est à la limite inférieure de l'apparition d'un réseau de carbures lédéburitiques.
  • Par ailleurs, pour obtenir les propriétés de résistance à l'adoucissement à chaud, il est nécessaire d'avoir une teneur en chrome suffisante dans la matrice. Le meilleur rapport
    Figure imgb0003
    , qui détermine avec la température d'austénitisation la teneur en chrome de la matrice, a été déterminé expérimentalement sur toute une série d'alliages carbone-chrome, et doit être de préférence compris entre 11 et 16.
  • Les autres éléments, à savoir Si et Mn, se trouvent dans les fourchettes habituelles des analyses des aciers moulés.
  • Le nickel et le manganèse sont volontairement limités à 0,7% pour éviter leur effet stabilisant sur l'austénite résiduelle.
  • Le molybdène et le vanadium améliorent la résistance au revenu de l'austénite et se trouvent dans les teneurs habituelles des aciers de travail à froid au chrome (classes 80 et 90 de la classification américaine).
  • On obtient ainsi de nouveaux cylindres composites bimétalliques moulés présentant une résistance à l'adoucissement exceptionnelle par revenu de la matrice.
  • A titre d'exemple, un cylindre selon la présente invention a été réalisé à l'aide d'un métal d'enveloppe et d'un métal de coeur ayant les compositions suivantes.
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
  • Le cylindre ainsi obtenu est soumis à un traitement d'austénitisation pendant 24 heures à 1000°C, puis à une trempe à l'air soufflé qui est arrêtée à une température de 520°C. On maintient alors la température du cylindre à une valeur de 520°C pendant 20 heures, puis on refroidit le cylindre jusqu'à la température ambiante par trempe à l'air.
  • Il présente une dureté après trempe de 692 HV et une teneur en austénite de 40,6%.
  • On soumet alors ce cylindre à un revenu à une température supérieure à 400° C, pendant 20 heures, qui permet d'obtenir à l'issue du traitement une dureté de 780 HV sur 50 mm au rayon.
  • Ce cylindre a été utilisé pour le laminage à froid de tôles fines et a confirmé les avantages énoncés précédemment dans le cours de la description.

Claims (6)

1. Cylindre composite bimétallique pour laminage à froid obtenu par moulage, et constitué d'une enveloppe en alliage ferreux et d'un coeur en fonte lamellaire ou nodulaire, caractérisé en ce que le métal d'enveloppe est constitué d'un acier ayant une teneur en chrome de 8 à 16% et en carbone de 0,65 à 0,95%, le rapport chrome/carbone étant compris entre 11 et 16 et la structure du métal d'enveloppe étant martensitique avec une teneur en austénite résiduelle inférieure à 10% et d'une dureté supérieure à 700 HV.
2. Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal d'enveloppe a une épaisseur de 30 à 70 mm environ.
3. Cylindre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal d'enveloppe a la composition suivante:
Figure imgb0006
4. Cylindre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal de coeur est une fonte nodulaire ayant la composition suivante:
Figure imgb0007
5. Procédé de fabrication d'un cylindre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on coule tout d'abord par centrifugation une couche de métal d'enveloppe en acier ayant une teneur en chrome de 8 à 16%, en carbone de 0,65 à 0,95% et un rapport chrome/carbone compris entre 11 et 16, puis un noyau de métal de coeur en fonte nodulaire ou lamellaire et on soumet le cylindre à un traitement d'austénitisation à une température supérieure à 900° C pendant un temps de 8 à 24 heures, puis après trempe à l'air ou à l'air humide soufflé arrêtée à une température de 450 à 550°C, on maintient la température à 500-550°C, pendant 8 à 24 heures, on refroidit alors le cylindre par trempe à l'air soufflé jusqu'à la température ambiante et on soumet enfin le cylindre à un revenu pour réactivation de l'austénite à une température comprise entre 400 et 450°C pendant un temps de 8 à 24 heures.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement d'austénitisation est réalisé à une température de 1000 à 1050°C et la trempe est arrêtée à une température comprise entre 500 et 520° C.
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