EP3155137B1 - Procédé pour fabriquer un lingot d'acier faiblement allié - Google Patents

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EP3155137B1
EP3155137B1 EP15727949.8A EP15727949A EP3155137B1 EP 3155137 B1 EP3155137 B1 EP 3155137B1 EP 15727949 A EP15727949 A EP 15727949A EP 3155137 B1 EP3155137 B1 EP 3155137B1
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Laurent Ferrer
Nicolas Binot
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Safran Aircraft Engines SAS
Safran Landing Systems SAS
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Safran Aircraft Engines SAS
Safran Landing Systems SAS
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
    • F27B3/28—Arrangement of controlling, monitoring, alarm or the like devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices

Definitions

  • the invention relates to methods for manufacturing low alloy steel ingots and to steel parts obtainable by such methods.
  • the minimum design curves depend not only on the average value but also on the dispersion of results. This is particularly true for parts used in the aeronautical field with which a statistical analysis is generally taken into account. Reducing the dispersion of the results therefore makes it possible to trace the minimum dimensioning curves and, consequently, to improve the performances of the parts, for example by making it possible to lighten the parts, to extend their service life or to to increase the constraints to which they may be exposed. The reduction of the dispersion of the results advantageously makes it possible to confer a competitive technical differentiation as well as an economic gain in the material used.
  • the service life during oligo-cyclic fatigue stresses may depend, on the one hand, on the energy consumed at the moment of initiation on one of the particles present in the metallic material leading to a microcracking and, on the other hand, the propagation of the crack.
  • a dispersion in the types of primers can induce a large dispersion of the priming energy reductions and can, therefore, further reduce the curve enveloping the minimum points (lowering of the mean and increase of the standard deviation).
  • each reflow oven has a certain dispersion, inducing a dispersion of the sizes of these primers and, consequently, disparities in the lifetimes of the products obtained.
  • Low-alloy steel means a steel for which no alloying element is present in a mass content greater than 5.00%. In other words, in a low-alloy steel, each of the chemical elements, other than iron, is present in a mass content less than or equal to 5.00%.
  • the "molten bath” comprises the liquid part obtained after melting the electrode and the pasty part situated between the liquid part and the ingot obtained.
  • average speed of solidification during step b) is meant the ratio (distance traveled by the solidification front during step b)) / (duration of step b)).
  • the solidification front corresponds to the boundary between the ingot obtained and the pasty zone of the molten bath.
  • the distance traveled by the solidification front is equal to the distance, measured along the longitudinal axis of the crucible, which is traversed by the bottom of the molten bath (ie by the point of the molten bath closest to the bottom of the crucible and situated at the contact of the solidification front).
  • the duration of step b) is the time during which solidification of the melt is performed.
  • the invention advantageously makes it possible to obtain low alloy steel ingots with reduced inclusions of size and alignment.
  • the invention advantageously makes it possible to obtain low alloy steel ingots having a dispersion of the inclusion population obtained during the reduced production compared to the ingots manufactured by the methods of the state of the art.
  • the ingots obtained by the process according to the invention advantageously have mechanical properties as well as improved lifetimes compared to ingots made by known processes.
  • a solidification rate of the melt sufficiently low is imposed so that all or part of the inclusions present in the melt "up" faster to the surface of the melt than the solidification front.
  • the average solidification rate is chosen to be less than the flotation rate (i.e. the rate of rise to the surface of the melt) of all or part of the inclusions present in the melt.
  • vF K . r 2 . ⁇ MV
  • K is a physical constant describing the constant of gravitational acceleration and dynamic viscosity at a given temperature
  • r the radius of inclusion
  • ⁇ (MV) is the density difference between inclusion and melted bath.
  • Equation 1 shows that small inclusions take longer to rise to the surface than larger inclusions in a radius-to-square ratio. In addition, equation 1 shows that an increase in the density difference increases the flotation rate.
  • the flotation time of all or part of the inclusions present in the melt is less than the duration of step b).
  • the average rate of solidification imposed during step b) may advantageously be less than the flotation rate of all or part of the nonmetallic inclusions present in the melt.
  • the average rate of solidification imposed during step b) may advantageously be less than the flotation rate of inclusions present in the melt and able to crystallize in the melt but not in the ingot obtained.
  • the average rate of solidification imposed during step b) may advantageously be less than the flotation rate of alumina Al 2 O 3 and / or the flotation rate of lime aluminates of formula [(Al 2 O 3 ) x (CaO) y ] present in the melt.
  • the flotation rates and, therefore, the flotation times can be similar.
  • the flotation times may, for example, be less than 60 minutes.
  • the duration of step b) may, for example, be greater than or equal to 60 minutes, for example 100 minutes.
  • the method according to the invention may further comprise after step b) a step c) of homogenizing the alloying elements present in the ingot obtained.
  • Step c) may, for example, comprise a heat treatment of the ingot obtained by submitting the ingot at a temperature below its melting temperature.
  • Such a step is advantageous insofar as it makes it possible to diffuse the alloying elements from a zone heavily loaded with alloying elements to a zone weakly loaded with alloying elements.
  • the method according to the invention may, furthermore, comprise, after step c), a step d) of shaping to hot ingot.
  • Step d) may make it possible to obtain from the ingot a semi-finished product, for example in the form of a bar or a sheet.
  • the average speed of solidification imposed during step b) may preferably be less than or equal to 40 ⁇ m / s, preferably 35 ⁇ m / s, preferably 30 ⁇ m / s, particularly preferably 25 ⁇ m / s. .
  • the reflow oven can have instabilities which can lead to the return to the bottom of the molten bath of rafts of inclusions.
  • the presence of such instabilities may lead to an increase in the time required for the inclusions to rise to the surface of the melt and remain there.
  • Operating at such average rates of solidification advantageously makes it possible to further increase the difference between the time required to solidify the melt and the time required for an inclusion to rise to the surface. Consequently, the negative impact of the instabilities of the reflow oven is advantageously reduced because the solidification is slower, thus leaving time for the inclusions possibly returned to the bottom of the molten bath to rise to the surface.
  • the flotation time of all or part of the inclusions present in the melt may advantageously be less than or equal to two-thirds, or even half, of the duration of step b).
  • the diameter of the electrode before fusion can, for example, be between 650 mm and 1200 mm.
  • electrode diameter is meant the largest dimension of the electrode measured perpendicular to the longitudinal axis of the electrode.
  • the electrode may, before melting, be of cylindrical shape.
  • a cylindrical electrode advantageously makes it possible, after merging, to obtain an upward movement of the inclusions within the molten bath essentially directed along the longitudinal axis of the crucible. This advantageously allows to further limit the amount of inclusions trapped in the ingot obtained after solidification due to a rise of inclusions more direct to the surface of the molten bath.
  • the invention is not limited to the implementation of a cylindrical electrode before melting. Indeed, the electrode may, alternatively, be of conical or parallelepipedal shape before melting.
  • the diameter of the molten bath may, for example, be between 650 mm and 1200 mm.
  • the diameter of the molten bath can be between 700 mm and 950 mm.
  • the diameter of the molten bath can be between 650 mm and 950 mm.
  • the diameter of the molten bath can be between 700 mm and 1200 mm.
  • the diameter of the molten bath corresponds to its largest dimension measured perpendicularly to the longitudinal axis of the crucible.
  • the diameter of the molten bath is measured perpendicular to the height of the cylinder.
  • the diameter of the melt is measured without taking into account the thickness of the side wall of the crucible.
  • the average speed of solidification imposed during step b) may be greater than or equal to 9 ⁇ m / s and more preferably greater than or equal to 14 ⁇ m / s.
  • the cooling fluid may, for example, be a coolant.
  • the combination of a cooling liquid and a cooling gas can be used during step b) to achieve the heat exchange.
  • the cooling gas may be chosen from: helium, argon or nitrogen.
  • the cooling liquid may, for example, be selected from: water, a polymer fluid or molten sodium.
  • the water used as coolant may optionally include additives such as anti-scale and / or anti-bacterial additives.
  • the cooling fluid may, for example, be in motion relative to the crucible during all or part of step b).
  • the circulation velocity of the cooling fluid performing the heat exchange may, for example, be greater than or equal to 1000 l / min, preferably between 2000 and 6000 l / min, during all or part of step b).
  • the cooling fluid may, before the start of the heat exchange, be at a temperature of less than or equal to 80 ° C.
  • the crucible may, for example, comprise, in particular consist of, a heat-transfer metal.
  • the crucible may, for example, comprise, in particular consist of, copper or brass.
  • the carbon may be present in the electrode before melting in a mass content of between 0.09% and 1.00%.
  • the electrode may further comprise before chromium melting in a mass content of between 0.10% and 5.50%.
  • the electrode may further comprise before molybdenum melting at a mass content less than or equal to 5.00%, for example between 0.05% and 5.00%.
  • Such a part according to the invention advantageously has improved fatigue strength compared to the parts of the state of the art.
  • the piece is obtained by implementing a method as described above.
  • the part may include non-metallic inclusions.
  • the part may correspond to the ingot obtained at the end of step b) or possibly of step c) described above.
  • the part may also correspond to the half-product obtained after implementation of step d) described above.
  • the carbon may be present in the part in a mass content of between 0.09% and 1.00%.
  • the part may further comprise chromium in a mass content of between 0.05% and 5.00%.
  • the part may further comprise molybdenum in a mass content less than or equal to 5.00%, for example between 0.05% and 5.00%.
  • the part according to the invention may, for example, comprise different alloying elements in the proportions indicated in Table 1 given below.
  • Table 1 ⁇ / u> % C % Mn %Or %Yes % Cr % Mo V% Room 1 0.13 0.2 3.4 0.2 4.1 4.3 1.2 Room 2 0.15 0.5 3.2 0.3 1.0 0.3 ⁇ 0.1 Exhibit 3 0.20 0.5 3.2 0.3 1.0 0.3 ⁇ 0.1 Room 4 0.32 0.7 ⁇ 0.4 0.3 3.3 2.0 0.3 Exhibit 5 0.35 0.5 3.9 0.3 1.8 0.4 ⁇ 0.1 Room 6 0.40 ⁇ 0.5 1.8 ⁇ 0.5 0.8 0.3 ⁇ 0.1 Exhibit 7 0.40 0.5 ⁇ 0.4 0.2 3.2 1.0 0.2 Exhibit 8 0.40 0.3 ⁇ 0.4 0.9 5.0 1.3 0.5 Exhibit 9 0.41 0.8 1.8 1.7 0.8 0.4 0.08 Exhibit 10 0.81 0.2 ⁇ 0.4 0.2 4.1 4.3 1.0
  • the part may have a cylindrical shape.
  • the part may, for example, have a conical or parallelepiped shape.
  • the patent further discloses a low alloy steel part comprising iron and carbon and obtainable by carrying out a method as described above.
  • Such a piece may, for example, have the same constituents present at the same mass contents as for the piece described above.
  • the electrode 1 intended to be melted is present in the interior volume delimited by the crucible 10.
  • the electrode 1 may, previously, have been developed by any means known as air preparation or elaboration by vacuum induction.
  • the electrode 1 may, as shown, have a cylindrical shape before melting. As explained above, it is not beyond the scope of the present invention if an electrode having another form before fusion is implemented.
  • the crucible 10 is, for example, copper.
  • the crucible 10 extends along a longitudinal axis X.
  • a generator G imposes a potential difference between the crucible 10 and the electrode 1.
  • a first terminal of the generator G can, as shown, be connected to the electrode 1 and a second terminal of the generator G may, as shown, be connected to the bottom 11 of the crucible 10.
  • the potential difference imposed between the crucible 10 and the electrode 1 by the generator G makes it possible to create electric arcs 3 in the space 2 in which there is a void. These electric arcs 3 make it possible to melt the electrode 1 and to carry out step a).
  • the molten portion of the electrode 1 is collected in the crucible 10 and thus forms a melt 20.
  • the melt 20 comprises a liquid portion 21 located on the electrode side 1 and a pasty portion 22 located between the liquid portion 21 and the ingot 30.
  • the ingot 30 is obtained by cooling the molten portion of the electrode.
  • the solidification front 34 separates the resulting ingot from the melt 20 and propagates during step b) to the free surface of the melt bath 20. Water circulates around the crucible 10 to continuously cool the crucible 10 as well as the melt 20 and to ensure the solidification of the latter.
  • a cooling channel 13 is present within the side wall 12 and the bottom wall 14 of the crucible 10.
  • a coolant can circulate within the cooling channel 13 to also participate in the solidification of the melt 20 .
  • the ingot 30 is present, during step b), between the melt 20 and the bottom 11 of the crucible 10 as well as between the melt 20 and the side wall 12 of the crucible 10.
  • at least a portion of the peripheral surface 31 of the ingot 30 may not be in contact with the side wall 12 of the crucible 10 and be separated from the latter by a space 33.
  • a gas for example He , Ar, N 2
  • He , Ar, N 2 can be injected to improve cooling.
  • the resulting ingot 30 may have a cylindrical shape.
  • the figure 2 provides a simplified representation of certain details of the method according to the invention.
  • the electrode 1 comprises before fusion inclusions 40. These inclusions 40 may be non-metallic inclusions.
  • the end 1a of the electrode 1 is, during melting, melted by the energy of the electric arcs 3. Molten electrode drops are produced which will be collected by the crucible 10.
  • the crucible 10 is , as explained above, cooled with water.
  • the melt 20 has a diameter d equal to the internal diameter of the crucible 10.
  • the melt 20 may, as shown, have during all or part of step b) a hemispherical shape. Such a shape can for example be obtained when using a crucible 10 of cylindrical shape.
  • the melt 20 may take other forms, for example a semi-quasi-ovoid shape. Such a shape can for example be obtained when using a parallelepiped shaped crucible.
  • the distance e between the free surface of the melt 20 and the electrode 1 is advantageously kept constant during step b).
  • This distance e can be driven either in voltage (V) or in pulses 5.
  • the electrode 1 is during step b) moved along the longitudinal axis X of the crucible 10 in order to maintain the distance e constant.
  • the drops 5 fall and are collected by the crucible 10.
  • the drops 5 may include inclusions 40 which were initially present in the electrode 1. Once introduced into the melt 20, the inclusions 40 may be entrained towards the bottom 26 of the melt 20 (ie the point of the melt 20 closest to the bottom 11 of the crucible and in contact with the solidification front 34).
  • the melt 20 has an axial portion having a temperature greater than that of its peripheral portion. This leads to a natural convection, corresponding to the engaged forces of buoyancy, which starts from the bottom 26 of the melt 20, joins the free surface 25 of the melt 20 and goes to the edge 27 of the molten bath 20. This convection is shown schematically in FIG. the figure 2 by the arrows 28a and 28b.
  • the inclusions 40 either solid or liquids of lower density than that of the melt 20 will tend to rise to the surface 25 with some velocity by flotation mechanisms as explained above.
  • aggregates 41 formed of agglomerated inclusions 40. These aggregates 41 are driven towards the periphery of the ingot 30 where they will be fixed.
  • the solidification front 34 propagates from the bottom 11 of the crucible 10 to the free surface 25 of the molten bath.
  • the solidification front 34 propagates during step b) along the longitudinal axis X of the crucible 10 as shown by the arrow 35.
  • the solidification front 34 may retain its shape during all or part of the step b).
  • the average rate of rise of the solidification front 34 is controlled so as to be less than the rate of rise to the surface of all or part of the inclusions 40 as explained above.
  • the diameter of the electrode before fusion was 920mm.
  • the molten electrode drops are collected in a crucible with a diameter of 975 mm and form a molten bath in the copper crucible.
  • the melted bath is then solidified by heat exchange between the molten bath and water circulating at 3000 l / minute with a temperature thermostated at 38 ° C. at the inlet and a continuous injection of He at 20mbar.
  • the heat exchange achieved makes it possible to impose a mean solidification rate during step b) equal to 24 ⁇ m / s.
  • the diameter of the electrode before fusion was 550mm.
  • the molten electrode drops are collected in a crucible with a diameter of 600 mm and form a molten bath in the copper crucible.
  • the melted bath is then solidified by heat exchange between the molten bath and water circulating at 1500 l / min with a temperature thermostated at 38 ° C. at the inlet and without gas injection.
  • the heat exchange achieved makes it possible to impose a mean solidification rate during step b) equal to 49 ⁇ m / s.

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Description

    Arrière-plan de l'invention
  • L'invention concerne des procédés de fabrication de lingots d'aciers faiblement alliés et des pièces en acier pouvant être obtenues par de tels procédés.
  • Dans le cas des pièces mécaniques à forte intégrité qui sont sollicitées alternativement sous fortes contraintes, il peut être nécessaire de dimensionner suivant des courbes minimales enveloppant tous les résultats caractérisant les propriétés recherchées dont les propriétés de résistance à la fatigue. Or, les courbes minimales de dimensionnement dépendent non seulement de la valeur moyenne mais aussi de la dispersion de résultats. Cela est particulièrement vrai pour les pièces utilisées dans le domaine aéronautique avec lesquelles une analyse statistique est généralement prise en compte. Le fait de réduire la dispersion des résultats permet donc de remonter les courbes minimales de dimensionnement et, par conséquent, d'améliorer les performances des pièces, par exemple en permettant d'alléger les pièces, d'allonger leur durée de vie ou d'augmenter les contraintes auxquelles elles peuvent être exposées. La réduction de la dispersion des résultats permet avantageusement de conférer une différentiation technique concurrentielle ainsi qu'un gain économique en matière employée.
  • La durée de vie durant des sollicitations en fatigue oligo-cyclique peut dépendre d'une part de l'énergie consommée au moment de l'amorçage sur une des particules présentes dans le matériau métallique conduisant à une microfissuration et, d'autre part, de la propagation de la fissure.
  • Du fait d'un manque d'accommodation, certaines particules peuvent subir une fissuration prématurée, réduisant l'énergie d'amorçage et, par conséquent, la durée de vie par rapport à une matrice seule. La nature de la particule, sa forme, sa taille individuelle, sa distribution spatiale et sa tendance à se rassembler avec d'autres particules peuvent directement influer sur la réduction de cette énergie d'amorçage. Une dispersion dans les types d'amorces peut induire une grande dispersion des réductions d'énergies d'amorçage et peut, par conséquent, abaisser d'autant plus la courbe enveloppant les points minimums (abaissement de la moyenne et accroissement de l'écart-type).
  • Cela peut particulièrement être le cas pour les aciers et, en particulier, pour les aciers faiblement alliés refondus. Il est connu de fabriquer des nuances d'aciers par refusion d'un métal dans un four à arc électrique sous vide (mise en oeuvre d'un procédé de refusion à l'arc sous vide ; en anglais : « Vacuum arc remelting »). Une telle étape permet d'améliorer la propreté inclusionnaire par un filtrage de certaines particules déjà présentes dans le métal avant cette refusion.
  • Dans le cas des aciers faiblement alliés, la présence de particules inclusionnaires de type sulfures et/ou oxydes, isolées, agglomérées ou alignées peut avoir une influence sur les durées de vie en fatigue oligo-cyclique. Les opérations précédant la refusion mises en oeuvre actuellement visent à tenter de minimiser la probabilité de présence de telles particules.
  • Toutefois, il peut subsister soit des particules exogènes, soit des particules qui du fait d'une solubilité imparfaite peuvent se reformer lors du refroidissement.
  • En outre, il peut être souhaitable de mettre en oeuvre une méthode de refusion la plus stable que possible afin d'obtenir une flottation régulière des radeaux d'oxydes et de sulfures à la surface du liquide en partant du centre vers le bord du creuset du four. Cependant, chaque four de refusion présente une certaine dispersion, induisant une dispersion des tailles de ces amorces et, par conséquent, des disparités dans les durées de vie des produits obtenus.
  • On connait les publications Hans et al. « Industrial applications of VAR modelling for special steels and nickel-base superalloys » (ASM International, vol.2005, pages 65-70), Jardy et al. « Modélisation mathématique du procédé de refusion à l'arc sous vide » (La Revue de Métallurgie, 2003, pages 595-605), Quatravaux et al. « Transient VAR ingot growth modelling : application to specialty steels » (Journal of Material Science 39 (2004) 7183 - 7191) et Chapelle et al. "Effect of electromagnetic stirring on melt pool free surface dynamics during vacuum arc remelting" (J Mater Sci (2008) 43:5734-5746). Ces publications fournissent des résultats de simulation de techniques de refusion à l'arc sous vide.
  • Il existe un besoin pour obtenir des pièces en acier faiblement allié présentant des durées de vie améliorées.
  • Il existe un besoin pour obtenir des pièces en acier faiblement allié présentant des disparités réduites en termes de propriétés mécaniques.
  • Il existe un besoin pour obtenir des procédés de fabrication d'acier faiblement allié permettant de réduire l'impact des instabilités du four de refusion.
  • Il existe encore un besoin pour disposer de nouveaux procédés de fabrication de pièces en acier faiblement allié.
    • Objet et résumé de l'invention
  • A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé pour fabriquer un lingot d'acier faiblement allié comportant les étapes suivantes:
    1. a) fusion de tout ou partie d'une électrode par un procédé de refusion à l'arc sous vide, l'électrode comportant, avant fusion, du fer et du carbone, la partie fondue de l'électrode étant recueillie dans un creuset et formant ainsi au sein du creuset un bain fondu, et
    2. b) solidification du bain fondu par échange thermique entre le bain fondu et un fluide de refroidissement, l'échange thermique réalisé permettant d'imposer une vitesse moyenne de solidification durant l'étape b) inférieure ou égale à 45 µm/s et d'obtenir un lingot d'acier faiblement allié.
  • Par « acier faiblement allié », il faut comprendre un acier pour lequel aucun élément d'alliage n'est présent en une teneur massique supérieure à 5,00%. En d'autres termes, dans un acier faiblement allié, chacun des éléments chimiques, autres que le fer, est présent en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%.
  • Le « bain fondu » comporte, au sens de l'invention, la partie liquide obtenue après fusion de l'électrode ainsi que la partie pâteuse située entre la partie liquide et le lingot obtenu.
  • Par « vitesse moyenne de solidification durant l'étape b) », on entend le rapport (distance parcourue par le front de solidification durant l'étape b))/(durée de l'étape b)). Le front de solidification correspond à la frontière entre le lingot obtenu et la zone pâteuse du bain fondu. La distance parcourue par le front de solidification est égale à la distance, mesurée le long de l'axe longitudinal du creuset, parcourue par le fond du bain fondu (i.e. par le point du bain fondu le plus proche du fond du creuset et situé au contact du front de solidification). La durée de l'étape b) est la durée pendant laquelle une solidification du bain fondu est réalisée.
  • L'invention permet avantageusement d'obtenir des lingots d'acier faiblement allié présentant des inclusions de taille et d'alignement réduits.
  • L'invention permet avantageusement d'obtenir des lingots d'acier faiblement allié présentant une dispersion de la population des inclusions obtenue durant la fabrication réduite par rapport aux lingots fabriqués par les procédés de l'état de l'art.
  • Les lingots obtenus par le procédé selon l'invention présentent avantageusement des propriétés mécaniques ainsi que des durées de vie améliorées par rapport aux lingots fabriqués par les procédés connus.
  • Dans l'invention, une vitesse de solidification du bain fondu suffisamment faible est imposée afin que tout ou partie des inclusions présentes dans le bain fondu « remontent » plus vite à la surface du bain fondu que le front de solidification. Ainsi, dans l'invention, la vitesse moyenne de solidification est choisie de manière à être inférieure à la vitesse de flottation (i.e. la vitesse de remontée à la surface du bain fondu) de tout ou partie des inclusions présentes dans le bain fondu. De ce fait, l'invention permet avantageusement aux inclusions de flotter en radeau à la surface du bain fondu et d'éviter qu'elles ne se retrouvent piégées dans le lingot obtenu.
  • Les mécanismes de flottation ou de décantation des inclusions au sein du bain fondu peuvent être décrits par les équations de Stokes. Par exemple, la vitesse vf de flottation des inclusions est donnée par l'équation : vf = K . r 2 . Δ MV
    Figure imgb0001
     où K est une constante physique décrivant la constante de l'accélération de la pesanteur et la viscosité dynamique à une température donnée, r est le rayon de l'inclusion et Δ (MV) est la différence de masse volumique entre l'inclusion et le bain fondu.
  • L'équation 1 montre que les petites inclusions mettent plus de temps à remonter à la surface que les grosses inclusions suivant un rapport du rayon au carré. Par ailleurs, l'équation 1 montre qu'une augmentation de la différence de masse volumique accroit la vitesse de flottation.
  • La durée de flottation tflottation d'une inclusion, correspondant à la durée nécessaire pour qu'une inclusion remonte à la surface du bain fondu, peut être estimée par l'équation suivante : t flottation = Δ ⁢ D / vf
    Figure imgb0002
     où ΔD est l'accroissement de distance par rapport au fond du creuset, mesuré le long de l'axe longitudinal du creuset, entre la position initiale de l'inclusion et la position où l'inclusion est située à la surface du bain fondu.
  • Du fait du contrôle de la vitesse de solidification mise en oeuvre lors de l'étape b), la durée de flottation de tout ou partie des inclusions présentes dans le bain fondu est inférieure à la durée de l'étape b).
  • Dans un exemple de réalisation, la vitesse moyenne de solidification imposée durant l'étape b) peut avantageusement être inférieure à la vitesse de flottation de tout ou partie des inclusions non-métalliques présentes dans le bain fondu.
  • La vitesse moyenne de solidification imposée durant l'étape b) peut avantageusement être inférieure à la vitesse de flottation d'inclusions présentes dans le bain fondu et aptes à cristalliser dans le bain fondu mais pas dans le lingot obtenu. En particulier, la vitesse moyenne de solidification imposée durant l'étape b) peut avantageusement être inférieure à la vitesse de flottation des alumines Al2O3 et/ou à la vitesse de flottation des aluminates de chaux de formule [(Al2O3)x(CaO)y] présents dans le bain fondu.
  • Pour des inclusions d'alumines ou d'aluminates de chaux qui ont des masses volumiques proches, les vitesses de flottation et, par conséquent, les durées de flottation peuvent être similaires. Pour des rayons d'inclusions de 2 µm, les durées de flottation peuvent, par exemple, être inférieures à 60 minutes.
  • Ainsi, la durée de l'étape b) peut, par exemple, être supérieure ou égale à 60 minutes, par exemple à 100 minutes.
  • Dans un exemple de réalisation, le procédé selon l'invention peut, en outre, comporter après l'étape b) une étape c) d'homogénéisation des éléments d'alliage présents dans le lingot obtenu. L'étape c) peut, par exemple, comporter un traitement thermique du lingot obtenu par soumission du lingot à une température inférieure à sa température de fusion.
  • Une telle étape est avantageuse dans la mesure où elle permet de faire diffuser les éléments d'alliage d'une zone fortement chargée en éléments d'alliage à une zone faiblement chargée en éléments d'alliage.
  • Dans un exemple de réalisation, le procédé selon l'invention peut, en outre, comporter après l'étape c), une étape d) de mise en forme à chaud du lingot. L'étape d) peut permettre d'obtenir à partir du lingot un demi-produit par exemple sous forme d'une barre ou d'une tôle.
  • La vitesse moyenne de solidification imposée durant l'étape b) peut de préférence être inférieure ou égale à 40 µm/s, de préférence à 35 µm/s, de préférence à 30 µm/s, de manière particulièrement préférée à 25 µm/s.
  • Il est particulièrement avantageux d'imposer de telles vitesses moyennes de solidification durant l'étape b). En effet, dans le procédé de refusion à l'arc sous vide, le four de refusion peut présenter des instabilités lesquelles peuvent conduire au renvoi vers le fond du bain fondu de radeaux d'inclusions. La présence de telles instabilités peut conduire à une augmentation de la durée nécessaire pour que les inclusions remontent à la surface du bain fondu et y demeurent. Opérer à de telles vitesses moyennes de solidification permet avantageusement d'augmenter encore la différence entre la durée nécessaire pour solidifier le bain fondu et la durée nécessaire pour qu'une inclusion remonte à la surface. Par conséquent, l'impact négatif des instabilités du four de refusion est avantageusement réduit car la solidification est plus lente, laissant ainsi le temps aux inclusions éventuellement renvoyées vers le fond du bain fondu de remonter à la surface.
  • Ainsi, la durée de flottation de tout ou partie des inclusions présentes dans le bain fondu peut avantageusement être inférieure ou égale aux deux-tiers, voire à la moitié, de la durée de l'étape b).
  • Le diamètre de l'électrode avant fusion peut, par exemple, être compris entre 650 mm et 1200 mm.
  • Par « diamètre de l'électrode », il faut comprendre la plus grande dimension de l'électrode mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'électrode.
  • De préférence, l'électrode peut, avant fusion, être de forme cylindrique.
  • L'utilisation d'une électrode cylindrique permet avantageusement d'obtenir après sa fusion un mouvement de remontée des inclusions au sein du bain fondu essentiellement dirigé le long de l'axe longitudinal du creuset. Cela permet avantageusement de limiter encore la quantité d'inclusions piégées dans le lingot obtenu après solidification du fait d'une remontée des inclusions plus directe vers la surface du bain fondu.
  • L'invention n'est pas limitée à la mise en oeuvre d'une électrode de forme cylindrique avant fusion. En effet, l'électrode peut, en variante, être de forme conique ou parallélépipédique avant fusion.
  • Dans un exemple de réalisation, le diamètre du bain fondu peut, par exemple, être compris entre 650 mm et 1200 mm. Le diamètre du bain fondu peut encore être compris entre 700 mm et 950 mm. Le diamètre du bain fondu peut encore être compris entre 650 mm et 950 mm. Le diamètre du bain fondu peut encore être compris entre 700 mm et 1200 mm.
  • Sauf mention contraire, le diamètre du bain fondu correspond à sa plus grande dimension mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal du creuset. Par exemple, pour un creuset ayant une forme de cylindre, le diamètre du bain fondu est mesuré perpendiculairement à la hauteur du cylindre. Le diamètre du bain fondu est mesuré sans prendre en compte l'épaisseur de la paroi latérale du creuset.
  • De préférence, la vitesse moyenne de solidification imposée durant l'étape b) peut être supérieure ou égale à 9 µm/s et plus préférentiellement supérieure ou égale à 14 µm/s.
  • L'utilisation de telles valeurs de vitesses de solidification est avantageuse car elle permet d'obtenir particulièrement peu de micro-ségrégations de solidification lors de l'étape b). Cela permet avantageusement d'améliorer encore les propriétés mécaniques du lingot obtenu, telles que la ténacité ou l'isotropie des propriétés mécaniques statiques.
  • Par ailleurs, plus le lingot comporte de micro-ségrégations, plus la durée de l'étape c) d'homogénéisation peut être importante.
  • Par conséquent, l'utilisation de telles valeurs de vitesses de solidification permet en outre avantageusement d'obtenir une meilleure efficacité industrielle pour le procédé en évitant par exemple d'avoir des durées d'homogénéisation supérieures à 200 heures, voire en évitant même d'avoir des durées d'homogénéisation supérieures à 100 heures.
  • L'utilisation de ces vitesses de solidification permet donc avantageusement de réduire le coût du procédé et d'améliorer la productivité.
  • L'homme du métier saura, grâce à ses connaissances générales, adapter le refroidissement réalisé afin d'obtenir les vitesses de solidification souhaitées durant l'étape b).
  • Le fluide de refroidissement peut, par exemple, être un liquide de refroidissement. Dans un exemple de réalisation, la combinaison d'un liquide de refroidissement et d'un gaz de refroidissement peut être utilisée lors de l'étape b) pour réaliser l'échange thermique. Dans ce cas, le gaz de refroidissement peut être choisi parmi : l'hélium, l'argon ou l'azote.
  • Le liquide de refroidissement peut, par exemple, être choisi parmi : l'eau, un fluide polymère ou le sodium fondu. L'eau utilisée en tant que liquide de refroidissement peut éventuellement comporter des additifs tels que des additifs anti-calcaires et/ou anti-bactériens.
  • Le fluide de refroidissement peut, par exemple, être en mouvement par rapport au creuset durant tout ou partie de l'étape b). La vitesse de circulation du fluide de refroidissement réalisant l'échange thermique peut, par exemple, être supérieure ou égale à 1000 l/minute, de préférence comprise entre 2000 et 6000 l/minute, durant tout ou partie de l'étape b).
  • Par exemple, le fluide de refroidissement peut, avant le début de l'échange thermique, être à une température inférieure ou égale à 80°C.
  • Le creuset peut, par exemple, comporter, notamment consister en, un métal caloporteur. Le creuset peut, par exemple, comporter, notamment consister en, du cuivre ou du laiton.
  • Dans un exemple de réalisation, le carbone peut être présent dans l'électrode avant sa fusion en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%.
  • Dans un exemple de réalisation, l'électrode peut, en outre, comporter avant fusion du chrome en une teneur massique comprise entre 0,10% et 5,50%.
  • Dans un exemple de réalisation, l'électrode peut, en outre, comporter avant fusion du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%.
  • La mise en oeuvre de ces éléments à de telles teneurs massiques confère avantageusement au lingot obtenu des propriétés mécaniques satisfaisantes.
  • Dans un exemple de réalisation, l'électrode peut comporter, avant fusion, du fer ainsi que :
    • ▪ du carbone en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%,
    • ▪ du manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à 6,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 6,00%,
    • ▪ du nickel en une teneur massique inférieure ou égale à 5,50%, par exemple comprise entre 0,010% et 5,50%, ▪ du silicium en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%,
    • ▪ du chrome en une teneur massique comprise entre 0,10% et 5,50%,
    • ▪ du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%,
    • ▪ du vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%, et
    • ▪ optionnellement un ou plusieurs autres éléments d'alliage, l'ensemble des autres éléments d'alliage étant présent en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%.
  • Dans un exemple de réalisation, l'électrode peut présenter, avant fusion, la composition suivante :
    • ▪ carbone en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%,
    • ▪ manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à 6,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 6,00%,
    • ▪ nickel en une teneur massique inférieure ou égale à 5,50%, par exemple comprise entre 0,010% et 5,50%,
    • ▪ silicium en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%,
    • ▪ chrome en une teneur massique comprise entre 0,10% et 5,50%,
    • ▪ molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%,
    • ▪ vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%,
    • ▪ optionnellement un ou plusieurs autres éléments d'alliage, l'ensemble des autres éléments d'alliage étant présent en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%, et
    • ▪ fer en complément à 100,00%.
  • La présente invention vise également une pièce en acier faiblement allié comportant du fer et du carbone, la pièce s'étendant le long d'un axe longitudinal, la pièce étant telle que, lorsqu'elle est évaluée selon la méthode D de la norme ASTME 45-10, les résultats suivants sont obtenus en analyse le long de l'axe longitudinal :
    • le nombre de champs comportant des inclusions de type D de niveau de sévérité égal à 0,5 est inférieur à 5,
    • aucun champ comportant des inclusions de type D de niveau de sévérité égal à 1 n'est obtenu, et
    • aucun champ comportant des inclusions de type B de niveau de sévérité égal à 0,5 n'est obtenu.
  • Sauf indication contraire, à la fois les inclusions fines (« thin ») et les inclusions épaisses (« heavy ») sont comptabilisées.
  • Une telle pièce selon l'invention présente avantageusement une résistance à la fatigue améliorée par rapport aux pièces de l'état de la technique. En outre, lorsqu'une pluralité de ces pièces est analysée, on constate que la dispersion des résultats obtenus en termes de durée de vie est inférieure à celle présentée par un échantillon de pièces produites par les procédés connus.
  • La pièce est obtenue par mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit plus haut. La pièce peut comporter des inclusions non-métalliques. La pièce peut correspondre au lingot obtenu à l'issue de l'étape b) ou éventuellement de l'étape c) décrites plus haut. La pièce peut encore correspondre au demi-produit obtenu après mise en oeuvre de l'étape d) décrite plus haut.
  • Dans un exemple de réalisation, lorsque la pièce est évaluée selon la méthode D de la norme ASTME 45-10, le résultat suivant peut être obtenu en additionnant les trois résultats de mesure obtenus le long de l'axe longitudinal de la pièce et le long des deux axes perpendiculaires à cet axe longitudinal :
    • le nombre de champs total comportant des inclusions de type D de niveau de sévérité égal à 0,5 est inférieur ou égal à 15, de préférence à 10.
  • Dans un exemple de réalisation, le carbone peut être présent dans la pièce en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%.
  • Dans un exemple de réalisation, la pièce peut, en outre, comporter du chrome en une teneur massique comprise entre 0,05% et 5,00%.
  • Dans un exemple de réalisation, la pièce peut, en outre, comporter du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%.
  • Dans un exemple de réalisation, la pièce peut comporter du fer ainsi que :
    • du carbone en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%,
    • du manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%,
    • du nickel en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 5,00%,
    • du silicium en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%,
    • du chrome en une teneur massique comprise entre 0,05% et 5,00%,
    • du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%,
    • du vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%, et
    • optionnellement un ou plusieurs autres éléments d'alliage, l'ensemble des autres éléments d'alliage étant présent en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%.
  • Dans un exemple de réalisation, la pièce peut présenter la composition suivante :
    • carbone en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%,
    • manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%,
    • nickel en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 5,00%,
    • silicium en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%,
    • chrome en une teneur massique comprise entre 0,05% et 5,00%,
    • molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,05% et 5,00%,
    • vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, par exemple comprise entre 0,005% et 5,00%,
    • optionnellement un ou plusieurs autres éléments d'alliage, l'ensemble des autres éléments d'alliage étant présent en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%, par exemple comprise entre 0,010% et 3,00%, et
    • fer en complément à 100,00%.
  • La pièce selon l'invention peut, par exemple, comporter différents éléments d'alliage aux proportions indiquées dans le tableau 1 donné ci-dessous. Tableau 1
    %C %Mn %Ni %Si %Cr %Mo %V
    Pièce 1 0,13 0,2 3,4 0,2 4,1 4,3 1,2
    Pièce 2 0,15 0,5 3,2 0,3 1,0 0,3 <0,1
    Pièce 3 0,20 0,5 3,2 0,3 1,0 0,3 <0,1
    Pièce 4 0,32 0,7 <0,4 0,3 3,3 2,0 0,3
    Pièce 5 0,35 0,5 3,9 0,3 1,8 0,4 <0,1
    Pièce 6 0,40 <0,5 1,8 <0,5 0,8 0,3 <0,1
    Pièce 7 0,40 0,5 <0,4 0,2 3,2 1,0 0,2
    Pièce 8 0,40 0,3 <0,4 0,9 5,0 1,3 0,5
    Pièce 9 0,41 0,8 1,8 1,7 0,8 0,4 0,08
    Pièce 10 0,81 0,2 <0,4 0,2 4,1 4,3 1,0
  • Avantageusement, la pièce peut présenter une forme cylindrique. En variante, la pièce peut, par exemple, présenter une forme conique ou parallélépipédique.
  • Le brevet décrit encore une pièce en acier faiblement allié comportant du fer et du carbone et susceptible d'être obtenue par mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit plus haut.
  • Une telle pièce peut, par exemple, comporter les mêmes constituants présents aux mêmes teneurs massiques que pour la pièce décrite plus haut.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
    • les figures 1 et 2 représentent, de manière schématique et partielle la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention.
    Description détaillée de modes de réalisation
  • Comme illustré à la figure 1, l'électrode 1 destinée à être fondue est présente dans le volume intérieur délimité par le creuset 10. L'électrode 1 peut, au préalable, avoir été élaborée par tout moyen connu comme l'élaboration à l'air ou l'élaboration par induction sous vide. L'électrode 1 peut, comme représenté, avoir avant fusion une forme cylindrique. Comme expliqué plus haut, on ne sort pas du cadre de la présente invention si une électrode présentant une autre forme avant fusion est mise en oeuvre.
  • Le creuset 10 est, par exemple, en cuivre. Le creuset 10 s'étend le long d'un axe longitudinal X. Un générateur G impose une différence de potentiel entre le creuset 10 et l'électrode 1. Une première borne du générateur G peut, comme représenté, être connectée à l'électrode 1 et une deuxième borne du générateur G peut, comme représenté, être connectée au fond 11 du creuset 10. La différence de potentiel imposée entre le creuset 10 et l'électrode 1 par le générateur G permet de créer des arcs électriques 3 dans l'espace 2 dans lequel règne un vide. Ces arcs électriques 3 permettent de faire fondre l'électrode 1 et de réaliser l'étape a).
  • La partie fondue de l'électrode 1 est recueillie dans le creuset 10 et forme ainsi un bain fondu 20. Le bain fondu 20 comporte une partie liquide 21 située du côté de l'électrode 1 et une partie pâteuse 22 située entre la partie liquide 21 et le lingot 30. Le lingot 30 est obtenu par refroidissement de la partie fondue de l'électrode. Le front de solidification 34 sépare le lingot obtenu 30 du bain fondu 20 et se propage durant l'étape b) vers la surface libre du bain fondu 20. De l'eau circule autour du creuset 10 afin de continuellement refroidir le creuset 10 ainsi que le bain fondu 20 et d'assurer la solidification de ce dernier.
  • En outre, comme représenté à la figure 1, un canal de refroidissement 13 est présent au sein de la paroi latérale 12 et de la paroi de fond 14 du creuset 10. Un liquide de refroidissement peut circuler au sein du canal de refroidissement 13 afin de participer aussi à la solidification du bain fondu 20.
  • Comme représenté, le lingot 30 est présent, durant l'étape b), entre le bain fondu 20 et le fond 11 du creuset 10 ainsi qu'entre le bain fondu 20 et la paroi latérale 12 du creuset 10. En outre, au moins une partie de la surface périphérique 31 du lingot 30 peut ne pas être au contact de la paroi latérale 12 du creuset 10 et être séparée de cette dernière par un espace 33. Dans certains cas, dans cet espace 33, un gaz (par exemple He, Ar, N2) peut être injecté afin d'améliorer le refroidissement.
  • Au terme de l'étape b), le lingot obtenu 30 peut avoir une forme cylindrique.
  • La figure 2 fournit une représentation simplifiée de certains détails du procédé selon l'invention. L'électrode 1 comporte avant fusion des inclusions 40. Ces inclusions 40 peuvent être des inclusions non métalliques. Comme représenté, l'extrémité la de l'électrode 1 est, durant la fusion, fondue par l'énergie des arcs électriques 3. Des gouttes 5 d'électrode fondue sont produites lesquelles vont être recueillies par le creuset 10. Le creuset 10 est, comme expliqué plus haut, refroidi avec de l'eau. Le bain fondu 20 a un diamètre d égal au diamètre interne du creuset 10.
  • Le bain fondu 20 peut, comme représenté, avoir durant tout ou partie de l'étape b) une forme hémisphérique. Une telle forme peut par exemple être obtenue lorsque l'on utilise un creuset 10 de forme cylindrique. Le bain fondu 20 peut prendre d'autres formes, par exemple une forme semi-quasi-ovoïde. Une telle forme peut par exemple être obtenue lorsque l'on utilise un creuset de forme parallélépipédique.
  • La distance e entre la surface libre 25 du bain fondu 20 et l'électrode 1 est avantageusement maintenue constante durant l'étape b). Cette distance e peut être pilotée soit en tension (V), soit en impulsions liées à la fréquence de chute des gouttes 5. Dans l'exemple illustré, l'électrode 1 est durant l'étape b) déplacée le long de l'axe longitudinal X du creuset 10 afin de maintenir la distance e constante.
  • Lors de la fusion de l'électrode 1, les gouttes 5 tombent et sont recueillies par le creuset 10. Les gouttes 5 peuvent comporter des inclusions 40 qui étaient initialement présentes dans l'électrode 1. Une fois apportées dans le bain fondu 20, les inclusions 40 peuvent être entrainées vers le fond 26 du bain fondu 20 (i.e. le point du bain fondu 20 le plus proche du fond 11 du creuset et en contact avec le front de solidification 34).
  • Du point de vue thermique, le bain fondu 20 présente une partie axiale présentant une température supérieure à celle de sa partie périphérique. Cela conduit à une convection naturelle, correspondant aux forces engagées de flottabilité, qui part du fond 26 du bain fondu 20, rejoint la surface libre 25 du bain fondu 20 et se dirige vers le bord 27 du bain fondu 20. Cette convection est schématisée à la figure 2 par les flèches 28a et 28b.
  • Pendant la refusion, les inclusions 40 soit solides soit liquides de densité inférieure à celle du bain fondu 20 auront tendance à remonter à la surface 25 avec une certaine vitesse par des mécanismes de flottation comme expliqué plus haut.
  • Sur la surface libre 25 du bain fondu 20 sont présents des agrégats 41 formés d'inclusions 40 agglomérées. Ces agrégats 41 sont entrainés vers la périphérie du lingot 30 où ils seront figés.
  • Comme représenté à la figure 2, le front de solidification 34 se propage depuis le fond 11 du creuset 10 vers la surface libre 25 du bain fondu. Le front de solidification 34 se propage durant l'étape b) le long de l'axe longitudinal X du creuset 10 comme matérialisé par la flèche 35. Comme représenté, le front de solidification 34 peut conserver sa forme durant tout ou partie de l'étape b). La vitesse moyenne de remontée du front de solidification 34 est pilotée de manière à être inférieure à la vitesse de remontée à la surface de tout ou partie des inclusions 40 comme expliqué plus haut. On a représenté à la figure 2 les positions successives P 1 et P 2 occupées par le fond 26 du bain fondu 20. La distance d 1 parcourue par le fond 26 du bain fondu est mesurée le long de l'axe longitudinal X du creuset 10.
    • Exemples Exemple 1
  • Une électrode ayant la composition chimique suivante : C 0,42% - Mn 0,82% - Ni 1,80% - Si 1,70% - Cr 0,80% - Mo 0,40% - V 0,08% et Fe en complément (les teneurs sont massiques) a été fondue par un procédé de refusion à l'arc sous vide. Le diamètre de l'électrode avant fusion était de 920mm.
  • Les conditions appliquées durant la refusion à l'arc sous vide sont les suivantes :
    • tension appliquée : 25 Volts,
    • intensité appliquée : 9 kA, et
    • impulsion : 250 gouttes coupe-circuit d'électrode fondue produites par minute.
  • Ces conditions permettent d'obtenir un débit de gouttes d'électrode fondue égal à 9,5 kg / minute.
  • Les gouttes d'électrode fondues sont recueillies dans un creuset de diamètre égal à 975 mm et forment un bain fondu au sein du creuset en cuivre.
  • On réalise ensuite une solidification du bain fondu par échange thermique entre le bain fondu et de l'eau circulant à 3000 l/minute avec une température thermostatée à 38°C à l'entrée et une injection continue d'He à 20mbar.
  • L'échange thermique réalisé permet d'imposer une vitesse moyenne de solidification durant l'étape b) égale à 24 µm/s.
  • Après solidification, on obtient un lingot d'acier faiblement allié ayant la composition chimique suivante : C 0,41% - Mn 0,80% - Ni 1,80% - Si 1,70% - Cr 0,80% - Mo 0,40% - V 0,08% et Fe en complément (les teneurs sont massiques).
  • Les résultats obtenus en termes de propreté inclusionnaire suivant la méthode D de la norme ASTME 45-10 sont donnés ci-dessous en nombre de champs le long de l'axe longitudinal :
    Niveau de sévérité taille A B C D
    0,5 fin 0 0 0 3
    0,5 épais 0 0 0 1
    1 Fin 0 0 0 0
    1 épais 0 0 0 0
    1,5 Fin 0 0 0 0
    1,5 épais 0 0 0 0
  • La somme des champs comportant des inclusions de type D dans les 3 directions est de 7.
    • Exemple 2 (comparatif)
  • Une électrode ayant la composition chimique suivante : C 0,42% - Mn 0,83% - Ni 1,81% - Si 1,72% - Cr 0,85% - Mo 0,38% - V 0,09% et Fe en complément (les proportions sont massiques) a été fondue par un procédé de refusion à l'arc sous vide.
  • Le diamètre de l'électrode avant fusion était de 550mm.
  • Les conditions appliquées durant la refusion à l'arc sous vide sont les suivantes :
    • tension appliquée : 25 Volts,
    • intensité appliquée : 11 kA, et
    • impulsion : 330 gouttes coupe-circuit d'électrode fondue produites par minute.
  • Ces conditions permettent d'obtenir un débit de gouttes d'électrode fondue supérieur ou égal à 12 kg / minute +/- 0,6 kg/minute.
  • Les gouttes d'électrode fondues sont recueillies dans un creuset de diamètre égal à 600 mm et forment un bain fondu au sein du creuset en cuivre.
  • On réalise ensuite une solidification du bain fondu par échange thermique entre le bain fondu et de l'eau circulant à 1500 l/min avec une température thermostatée à 38°C à l'entrée et sans injection de gaz.
  • L'échange thermique réalisé permet d'imposer une vitesse moyenne de solidification durant l'étape b) égale à 49µm/s.
  • Après solidification, on obtient un lingot d'acier faiblement allié ayant la composition chimique suivante : C 0,41% - Mn 0,81% - Ni 1,82% - Si 1,73% - Cr 0,85% - Mo 0,38% - V 0,09% et Fe en complément (les teneurs sont massiques).
  • Les résultats obtenus en termes de propreté inclusionnaire suivant la méthode D de la norme ASTME 45-10 sont donnés ci-dessous en nombre de champs le long de l'axe longitudinal :
    Niveau de sévérité taille A B C D
    0,5 fin 0 5 0 28
    0,5 épais 0 1 0 15
    1 Fin 0 1 0 2
    1 épais 0 0 0 0
    1,5 Fin 0 0 0 0
    1,5 épais 0 0 0 0
  • La somme des champs comportant des inclusions de type B ou D dans les 3 directions est de 87. Un tel lingot présente des propriétés mécaniques significativement inférieures à celles du lingot selon l'invention.
  • L'expression « comportant/contenant un(e) » doit se comprendre comme « comportant/contenant au moins un(e) ».
  • L'expression « compris(e) entre ... et ... » ou « allant de ... à ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (15)

  1. Procédé pour fabriquer un lingot (30) d'acier faiblement allié comportant les étapes suivantes :
    a) fusion de tout ou partie d'une électrode (1) par un procédé de refusion à l'arc sous vide, l'électrode (1) comportant, avant fusion, du fer et du carbone, la partie fondue de l'électrode étant recueillie dans un creuset (10) et formant ainsi au sein du creuset (10) un bain fondu (20), et
    b) solidification du bain fondu (20) par échange thermique entre le bain fondu (20) et un fluide de refroidissement, l'échange thermique réalisé permettant d'imposer une vitesse moyenne de solidification durant l'étape b) inférieure ou égale à 45 µm/s et d'obtenir un lingot (30) d'acier faiblement allié.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carbone est présent dans l'électrode (1) avant sa fusion en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode (1) comporte, en outre, avant fusion du chrome en une teneur massique comprise entre 0,10% et 5,50%.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électrode (1) comporte, en outre, avant fusion du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrode (1) comporte, avant fusion, du fer ainsi que :
    • du carbone en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%,
    • du manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à 6,00%,
    • du nickel en une teneur massique inférieure ou égale à 5,50%,
    • du silicium en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%,
    • du chrome en une teneur massique comprise entre 0,10% et 5,50%,
    • du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, et
    • du vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le diamètre (d) du bain fondu (20) est compris entre 650 mm et 1200 mm.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode (1) est, avant fusion, de forme cylindrique.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la vitesse moyenne de solidification du bain fondu (20) imposée durant l'étape b) est inférieure ou égale à 40 µm/s.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la vitesse moyenne de solidification imposée durant l'étape b) est supérieure ou égale à 9 µm/s.
  10. Pièce (30) en acier faiblement allié comportant du fer et du carbone obtenue par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, la pièce (30) s'étendant le long d'un axe longitudinal, la pièce (30) étant telle que, lorsqu'elle est évaluée selon la méthode D de la norme ASTME 45-10, les résultats suivants sont obtenus en analyse le long de l'axe longitudinal :
    • le nombre de champs comportant des inclusions de type D de niveau de sévérité égal à 0,5 est inférieur à 5,
    • aucun champ comportant des inclusions de type D de niveau de sévérité égal à 1 n'est obtenu, et
    • aucun champ comportant des inclusions de type B de niveau de sévérité égal à 0,5 n'est obtenu.
  11. Pièce (30) selon la revendication 10, caractérisée en ce que lorsqu'elle est évaluée selon la méthode D de la norme ASTME 45-10, le résultat suivant est obtenu en additionnant les trois résultats de mesure obtenus le long de l'axe longitudinal de la pièce et le long des deux axes perpendiculaires à cet axe longitudinal :
    • le nombre de champs total comportant des inclusions de type D de niveau de sévérité égal à 0,5 est inférieur ou égal à 15.
  12. Pièce (30) selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que le carbone est présent en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%.
  13. Pièce (30) selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, du chrome en une teneur massique comprise entre 0,05% et 5,00%.
  14. Pièce (30) selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%.
  15. Pièce (30) selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce qu'elle comporte du fer ainsi que :
    • du carbone en une teneur massique comprise entre 0,09% et 1,00%,
    • du manganèse en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%,
    • du nickel en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%,
    • du silicium en une teneur massique inférieure ou égale à 3,00%,
    • du chrome en une teneur massique comprise entre 0,05% et 5,00%,
    • du molybdène en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%, et
    • du vanadium en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00%.
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