FR2488279A1

FR2488279A1 - Controlled quenching of hot rolled steel rods - to give fine pearlitic-ferritic, lower bainitic or martensitic structure

Info

Publication number: FR2488279A1
Application number: FR8017636A
Authority: FR
Inventors: Yves Desalos; Frederic Gunsberg
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1980-08-08
Filing date: 1980-08-08
Publication date: 1982-02-12
Also published as: FR2488279B3

Abstract

Steel rods are subjected to accelerated cooling from the rolling temp. to a temp. dependent on the compsn. of the steel, the dia. of the rods and the speed at which the rods have the rolling mill. Large dia. microalloyed steel rods are pref. cooled to a temp. at which the major part of the rod section transforms to a fine pearlitic-ferritic structure; medium dia. rods of good bainitic quenchability (pref. contg. boron) are pref. cooled to a temp. at which the cores of the rods transform to a lower bainitic structure, opt. followed by tempering for a few mins. at 500-600 deg.C; and small dia. rods of sufficient quenchability are cooled to a temp. at which practically the whole rod section transforms to a martensitic structure. The accelerated cooling may be preceded by natural cooling to 750-800 deg.C. Steel rods, of up to 80 mm. dia. and having good mechanical properties, are produced in an economical manner using in-line cooling installations of reasonable length (30-50m.).

Description

TKAITEMENT DE BARRES EN ACIER
L'invention a pour objet le traitement de barres en acier afin de leur conférer directement leurs caractéristiques mécaniques d'emploi. TREATMENT OF STEEL BARS
The subject of the invention is the treatment of steel bars in order to directly confer on them their mechanical characteristics of use.

Actuellement, on utilise beaucoup de barres en acier allié, de plusieurs centimètres de diamètre, pour la fabrication de pieces mécaniques à hautes caractéristiques. En général, le sidérurgiste livre les barres à l'état brut de laminage ou recuit. L'utilisateur, après avoir usiné les pièces, leur fait subir un traitement thermique, comportant généralement une trempe suivie d'un revenu. I1 arrive, de plus en plus fréquemment, que l'utilisateur demande à ne pas avoir à effectuer ce traitement thermique final ; dans ce cas, le siderurgiste lui livre des barres "pre-traitées", c'est-à-dire auxquelles on a fait subir, à l'état brut de laminage, un traitement thermique de trempe et revenu.Les caractéristiques mécaniques requises pour les barres ainsi "pré-traitées", peuvent être très variables suivant l'utilisation envisagée. Toutefois, on recherche, le plus souvent, des résistances de l'ordre de 1 000 à 1 300 N/mm2, ainsi qu'une tenacité et une tenue en fatigue suffisantes. Currently, many alloy steel bars, several centimeters in diameter, are used for the manufacture of mechanical parts with high characteristics. In general, the steelmaker delivers the bars in the rough rolling or annealed condition. The user, after having machined the parts, subjects them to a heat treatment, generally comprising quenching followed by tempering. I1 happens, more and more frequently, that the user requests not to have to carry out this final heat treatment; in this case, the steelmaker supplies him with "pre-treated" bars, that is to say which have been subjected, in the raw rolling state, to a quenching and tempering heat treatment. The mechanical characteristics required for the bars thus "pre-treated" can be very variable depending on the intended use. However, in most cases strengths of the order of 1000 to 1300 N / mm 2 are sought, as well as sufficient toughness and fatigue resistance.

Le but de la présente invention est précisément de fournir un procédé de traitement de barres en acier dans la chaude de laminage permettant de leur conférer les caractéristiques mécaniques mentionnées ci-dessus, dans des conditions économiques intéressantes. The object of the present invention is precisely to provide a process for treating steel bars in the hot rolling operation enabling them to be given the mechanical characteristics mentioned above, under advantageous economic conditions.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement de barres en acier selon lequel on soumet la barre, directement dans la chaude de laminage, à un refroidissement accéléré contrôlé. Par refroidissement accéléré contrôlé, on entend que l'on règle la température à laquelle on arrête le refroidissement accéléré en fonction de la composition de l'acier, du diamètre de la barre et de la vitesse à laquelle la barre sort de l'installation de laminage. To this end, the subject of the invention is a method for treating steel bars according to which the bar is subjected, directly in the rolling hot, to controlled accelerated cooling. By controlled accelerated cooling, it is meant that the temperature at which accelerated cooling is stopped is adjusted according to the composition of the steel, the diameter of the bar and the speed at which the bar leaves the installation of rolling.

Selon une première variante du procédé suivant l'invention, dans le cas de barres de gros diamètre et de nuances microalliées (Nb, V, Ti...), on choisit la température à laquelle on arrête le refroidissement accéléré de façon à ce que la majeure partie de la section de la barre se transforme en une structure ferrite-perlite fine. According to a first variant of the process according to the invention, in the case of bars of large diameter and of microalloyed grades (Nb, V, Ti, etc.), the temperature at which the accelerated cooling is stopped is chosen so that most of the cross-section of the bar turns into a fine ferrite-perlite structure.

Selon une deuxième variante du procédé suivant l'invention, dans le cas de barres de diamètre moyen et de nuances à bonne trempabilité bainitique, comportant de préférence du bore, on choisit la température à laquelle on arrête le refroidissement accéléré de façon à ce que le coeur de la barre se transforme essentiellement en une structure du type bainite inférieure. According to a second variant of the process according to the invention, in the case of bars of average diameter and of grades with good bainitic hardenability, preferably comprising boron, the temperature at which the accelerated cooling is stopped is chosen so that the the core of the bar is essentially transformed into a structure of the lower bainite type.

Selon une troisième variante du procédé suivant l'invention, dans le cas de barres de petit diamètre et de nuances suffisamment trempantes, telles que des nuances de type 35CD4, on choisit la température à laquelle on arrête le refroidissement accéléré de façon à ce que pratiquement toute la section de la barre se transforme en une structure martensitique. According to a third variant of the process according to the invention, in the case of bars of small diameter and sufficiently tempering grades, such as grades of 35CD4 type, the temperature at which the accelerated cooling is stopped is chosen so that practically the entire section of the bar turns into a martensitic structure.

Comme on le comprend, il est particulierement intéressant, au niveau économie d'énergie, d'effectuer le refroidissement contrôlé directement dans la chaude de laminage. D'autre part, il est indispensable de rechercher la formation de structures permettant de conférer au produit fini les caractéristiques mécaniques d'emploi demandées ; ces structures doivent être suffisamment homogènes dans la section du produit pour que l'on puisse procéder à l'enlèvement de matière, lors de l'usinage, sans nuire aux caractéristiques globales. As can be understood, it is particularly advantageous, in terms of energy saving, to carry out controlled cooling directly in the rolling hot. On the other hand, it is essential to seek the formation of structures making it possible to confer on the finished product the mechanical characteristics of use required; these structures must be sufficiently homogeneous in the section of the product so that the material can be removed, during machining, without adversely affecting the overall characteristics.

Compte tenu de ces considérations, les travaux du demandeur l'ont amené à mettre au point un procédé de refroidissement contrôlé, le réglage de ce refroidissement étant destiné à obtenir une transformation du produit en une structure donnee. Le choix de la structure que llon cherche à obtenir est plus particulièrement fonction de la composition de l'acier de départ, mais tient compte également du diamètre de la barre et de la vitesse de laminage. Given these considerations, the applicant's work has led him to develop a controlled cooling process, the regulation of this cooling being intended to obtain a transformation of the product into a given structure. The choice of structure that llon seeks to obtain is more particularly a function of the composition of the starting steel, but also takes account of the diameter of the bar and the rolling speed.

Ainsi, pour des nuances mi-dures, peu trempantes, microalliées, et des diamètres relativement importants (50 à 80 mm), on cherche à obtenir une structure ferrite-perlite fine formée vers 6000 C, durcie par précipitation interphase d'éléments dispersoides (Nb, V, Ti...). Ceci peut entre obtenu par une trempe au défilé, depuis la température de fin de laminage jusque vers 600"C. Il est inutile, dans ce cas, de procéder à un revenu complémentaire. On peut ainsi traiter des barres de diamètres allant jusqu'à 80 mm, en utilisant des installations de refroidissement de longueur raisonnable (30 m à 50 m). Thus, for semi-hard, little soaking, microalloyed nuances, and relatively large diameters (50 to 80 mm), we seek to obtain a fine ferrite-perlite structure formed around 6000 C, hardened by interphase precipitation of dispersoid elements ( Nb, V, Ti ...). This can be obtained by quenching in the process, from the end of rolling temperature to around 600 "C. It is unnecessary, in this case, to carry out an additional tempering. It is thus possible to treat bars of diameters up to 80 mm, using cooling installations of reasonable length (30 m to 50 m).

A titre d'exemple, une barre en acier de composition : 0,40 % C 1,25 % Mn ; 0,15 % V, présente, après avoir subi le traitement décrit cidessus, les caractéristiques mécaniques suivantes : résistance supérieure à I 000 N/mm2 et ténacité de 60 lepaÎni. For example, a steel bar of composition: 0.40% C 1.25% Mn; 0.15% V, after having undergone the treatment described above, has the following mechanical characteristics: resistance greater than I000 N / mm2 and tenacity of 60 lepaÎni.

Pour des aciers présentant une bonne trempabilité bainitique, tels que des nuances au bore dont la courbe TRC présente un large domaine bainitique, et des diamètres intermédiaires (30 à 60 mm), on cherche à obtenir une transformation du coeur de la barre en bainite inférieure, la peau se transformant éventuellement en martensite auto-revenue. Ceci peut être obtenu par une trempe au défilé, depuis la température de fin de laminage jusque vers 4000C. On peut ainsi traiter des barres de diamètres allant jusqu'à 60 mm, en utilisant des installations de refroidissement de longueur raisonnable (30 à 50 m). For steels with good bainitic hardenability, such as boron grades whose TRC curve has a large bainitic range, and intermediate diameters (30 to 60 mm), it is sought to obtain a transformation of the core of the bar into lower bainite , the skin eventually turning into self-returning martensite. This can be obtained by quenching in the process, from the end of rolling temperature to around 4000C. It is thus possible to treat bars of diameters up to 60 mm, using cooling installations of reasonable length (30 to 50 m).

Dans cette variante du procédé de l'invention, on peut envisager d'effectuer ensuite un léger revenu (par exemple, quelques minutes à une température de 500"C à 600 C), pour garantir une bonne ténacité. Toutefois, on a vérifié, tant sur des nuances à relativement basses teneurs en carbone (par exemple, une composition du type : 0,30 % C ; 1,5 % Mn ; 0,5 % Cr 0,1 % Mo ; 50 ppm de bore), que sur des nuances à plus fortes teneurs en carbone, qu'il était possible, après des trempes bainitiques amenant une transformation en bainite inférieure, d'éviter un traitement de revenu complémentaire, tout en obtenant des niveaux de ténacité raisonnables. In this variant of the process of the invention, it is possible to envisage then carrying out a slight tempering (for example, a few minutes at a temperature of 500 ° C. to 600 ° C.), to guarantee good toughness. However, it has been verified, both on grades with relatively low carbon contents (for example, a composition of the type: 0.30% C; 1.5% Mn; 0.5% Cr 0.1% Mo; 50 ppm of boron), as on shades with higher carbon contents, that it was possible, after bainitic quenching bringing about a transformation into a lower bainite, to avoid an additional tempering treatment, while obtaining reasonable levels of toughness.

Pour des barres en aciers suffisamment trempants vis-à-vis du diamètre traité et pour lesquelles l'utilisation envisagée exige une structure martensitique revenue (vitesse de refroidissement martensitique de l'acier voisine de la vitesse de refroidissement à coeur du produit), on cherche à obtenir une transformation de pratiquement toute la section de la barre en martensite. Ceci peut être obtenu par une trempe au défilé, depuis la température de fin de laminage jusque vers 250"C à 2000 C. On peut ainsi traiteur, si la trempabilité de l'acier est suffisante, des barres de diamètres allant jusqu'à 40 mm, en utilisant des installations de refroidissement de longueur raisonnable (30 m à 50 m). On effectue ensuite, évidemment, un revenu complémentaire. For steel bars sufficiently hardening with respect to the treated diameter and for which the intended use requires a returned martensitic structure (martensitic cooling rate of the steel close to the cooling rate at the heart of the product), we seek to obtain a transformation of practically the entire section of the bar into martensite. This can be obtained by quenching, from the end of rolling temperature up to around 250 "C at 2000 C. It is thus possible to cater, if the hardenability of the steel is sufficient, bars of diameters up to 40 mm, using cooling installations of reasonable length (30 m to 50 m). Then, obviously, an additional income is made.

A titre d'exemple, une barre en acier 35CD4 (0,35 % C ; 1 % Mn 0,5 % Mo ; 1 % Cr), traitée de la façon décrite ci-dessus, présente des valeurs de resistance et de ténacité tout-à-fait comparables à celles obtenues après un traitement thermique complémentaire terminé par un même revenu. For example, a 35CD4 steel bar (0.35% C; 1% Mn 0.5% Mo; 1% Cr), treated as described above, exhibits resistance and toughness values while -comparably comparable to those obtained after an additional heat treatment ended with the same income.

La trempe au défilé, effectuée selon le procédé de l'invention, est mise en oeuvre dans des installations appropriées, telles que les dispositifs à lame d'eau décrits dans les demandes de brevet n" 79/01567 du 19 janvier 1979 et n" 79/14383 du ler juin 1979 au nom du demandeur. The process quenching, carried out according to the process of the invention, is carried out in appropriate installations, such as the water blade devices described in patent applications No. 79/01567 of January 19, 1979 and No. 79/14383 of June 1, 1979 in the name of the applicant.

Il est nécessaire que les dispositifs de refroidissement utilisés présentent des coefficients d'échange thermique tres élevésafin de réduire les durées de traitement et les débits d'eau nécessaires. Les hétérogénéités de refroidissement dans la section de la barre doivent être prises en considération en fonction de la trempabilité de l'acier considéré de manière à obtenir des structures formées à des températures voisines dans toute la barre. It is necessary that the cooling devices used have very high heat exchange coefficients in order to reduce the treatment times and the water flow rates required. The heterogeneities of cooling in the section of the bar must be taken into account as a function of the quenchability of the steel considered so as to obtain structures formed at temperatures close to all over the bar.

Il va de soi que le procédé décrit peut présenter de nombreuses variantes sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. En particulier, dans le cas de barres en aciers microalliés (Eb, Ti, Mo...), si la température de fin de laminage est suffisamment basse (température inférieure à 850"C - 900"C), l'austénite, refroidie rapidement dès la sortie du laminoir, pourra se transformer sans avoir été préalablement recristallisée. It goes without saying that the process described can have many variants without departing from the scope of the present invention. In particular, in the case of bars made of microalloyed steels (Eb, Ti, Mo ...), if the end of rolling temperature is sufficiently low (temperature below 850 "C - 900" C), the austenite, cooled quickly after leaving the rolling mill, can be transformed without having been previously recrystallized.

L'affinement du grain ferritique (dans le cas de la première variante), ou l'affinement du grain austénitique et l'héritage des défauts cristallins de l'austénite écrouie lors d'une transformation bainitique et/ou martensitique ultérieure (dans le cas de la deuxième et la troisième variantes), peuvent alors contribuer à une amélioration des caractéristiques finales de la barre traitée (ténacité, fatigue...). Ainsi, on a intérêt à contrôler, dans la mesure du possible, l'état de l'austénite en sortie de laminoir avant de préciser les conditions du refroidissement.The refinement of the ferritic grain (in the case of the first variant), or the refinement of the austenitic grain and the inheritance of the crystalline defects of the hardened austenite during a subsequent bainitic and / or martensitic transformation (in the case of the second and third variants), can then contribute to an improvement in the final characteristics of the treated bar (toughness, fatigue ...). Thus, it is advantageous to control, as far as possible, the state of the austenite at the outlet of the rolling mill before specifying the cooling conditions.

Selon un mode de réalisation du procédé de l'invention, notamment dans le cas ou la longueur disponible, entre la dernière cage de laminage et le refroidissoir, est insuffisante, on ne procède au refroidissement accéléré contrôlé, selon l'une des trois variantes décrites précédemment, qu'après un refroidissement naturel de la barre jusque vers 7500C - 800"C. En effet, cette première phase de refroidissement est généralement sans incidence sur les conditions de transformation ultérieure et permet de gagner sur la longueur du dispositif de trempe et le débit d'eau nécessaires. According to one embodiment of the process of the invention, in particular in the case where the length available, between the last rolling stand and the cooler, is insufficient, controlled accelerated cooling is not carried out, according to one of the three variants described previously, that after a natural cooling of the bar up to around 7500C - 800 "C. In fact, this first cooling phase is generally without incidence on the conditions of subsequent transformation and makes it possible to gain on the length of the quenching device and the water flow required.

Claims

1) Process for treating steel bars, according to which the bar is subjected, directly in the rolling mill, to accelerated cooling, process characterized in that the temperature at which the accelerated cooling is stopped is adjusted as a function of the composition of the steel, the diameter of the bar and the speed at which the bar leaves the rolling mill.

2) Method according to claim 1, characterized in that, in the case of large diameter bars and microalloyed grades (Nb, V, Ti ...), the temperature is chosen at which the accelerated cooling is stopped so as to that most of the cross-section of the bar turns into a fine ferrite-perlite structure.

3) Method according to claim 1, characterized in that, in the case of bars of average diameter and of grades with good bainitic hardenability, preferably comprising boron, the temperature is chosen at which the accelerated cooling is stopped so that that the core of the bar is transformed into a structure of the lower bainite type.

4) Method according to claim 1, characterized in that, in the case of small diameter bars and sufficiently hardening grades, the temperature is chosen at which the accelerated cooling is stopped so that practically the entire section of the bar turns into a martensitic structure.

5) Method according to claim 3, characterized in that the bar is then subjected to an income of a few minutes at a temperature of 5000C to 6000C.

6) Method according to claims 2, 3 or 4, characterized in that one proceeds to the accelerated controlled cooling, after natural cooling of the bar until about 7500C - 8000C.

7) Steel bars obtained by the process according to claims 1 to 6.