FR2904635A1 - Procede de fabrication d'ebauches en acier - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de transformation d'ébauches d'acier.L'invention concerne particulier un procédé de transformation d'une ébauche en acier comprenant un corroyage pour l'obtention de très bonne propriétés mécaniques.Les produits obtenus peuvent être utilisés notamment pour former un élément d'appareil à pression.
Description
L'invention concerne un procédé de transformation d'ébauches d'acier, en particulier d'ébauche pour former au moins un élément d'appareil à pression.
ETAT DE L'ART
Il a été développé depuis de nombreuses années des aciers de très haute performance permettant la fabrication d'éléments d'appareils à pression pouvant supporter 4000 à 10 000 bars, dont notamment des bouchons ou manchons de culasse ou des tubes pour former des éléments d'un appareil à pression. Ces aciers doivent répondre à des qualités de compositions définies de manière très strictes et doivent permettre l'obtention de très bonnes propriétés mécaniques, et notamment d'une très haute limite élastique et un bon rapport limite d'élasticité/ ténacité , notamment à basse température.
Il est nécessaire notamment d'obtenir de très basses teneurs en silicium et en manganèse mais des teneurs relativement hautes en chrome, molybdène et nickel.
Différentes compositions ont été proposées dans l'art antérieur pour obtenir des aciers répondant à ces propriétés mécaniques, cependant les caractéristiques mécaniques de ces aciers doivent être encore améliorées. De tels aciers sont notamment décrits dans le brevet DE 195 31 260 C2. Ainsi les aciers doivent être améliorés quant à leur composition et quant aux propriétés mécaniques, et notamment quant à la limite élastique et au rapport limite d'élastîcité/ténacité, en particulier à basse température.
Les procédés de transformation habituels de ce type d'acier ne permettent pas d'obtenir des propriétés mécaniques optimales lorsque l'on souhaite utiliser cet acier comme tube à très haute limite d'élasticité et/ou un bon rapport limite d'élasticité/ténacité à basse température, notammentdans le domaine des appareillages à pression supportant en particulier de 4000 à 10000 bars.
D'autre part les procédés habituellement connus sont d'une durée qui n'est pas compatible avec une activité industrielle importante. Cela est notamment le cas d'un procédé décrit dans le brevet DE 19531260 dont le procédé comprend une étape d'austénitisation puis de recuit perlitique durant 100 à 200 heures.
BUTS DE L'INVENTION
L'invention a pour but principal de résoudre les problèmes techniques énoncés ci-dessus et notamment de fournir une composition d'acier permettant d'obtenir des propriétés mécaniques, notamment en termes de limite d'élasticité et de compromis entre la limite d'élasticité/ténacité optimisé notamment à basse température, adaptées à former un élément d'appareil à pression.
L'invention a pour but principal de résoudre les problèmes techniques mentionnés ci-dessus et notamment le problème technique consistant en la fourniture d'un procédé de transformation permettant d'obtenir un tube en acier de composition précitée possédant de très bonnes propriétés mécaniques, dont notamment une très haute limite d'élasticité combinée à un haut niveau de ductilité.
L'invention a notamment pour but de résoudre ce problème technique dans le cadre de la fabrication d'éléments d'appareils à pression, notamment par un procédé industriellement performant en terme de rentabilité et de durée de fabrication.DESCRIPTION DE L'INVENTION
En particulier, la présente invention concerne une composition d'acier comprenant essentiellement: Carbone : 0.35-0.43, Manganèse : <0.20, Silicium : <0.20, Nickel : 3,00-400 Chrome : 1.30-1.80, Molybdène : 0,70-1,00 Vanadium : 0.20-0.35, Fer : solde en pourcentages en poids de la composition totale, ainsi que les impuretés inévitables, maintenues au plus bas niveau, notamment sous forme de Cuivre (de préférence <0.100) ; d'Aluminium (de préférence <0.015) ; du Soufre (de préférence <0.002) ; du Phosphore (de préférence <0.010) ; d'Etain (de préférence <0.008) ; d'Arsenic (de préférence <0.010) ; d'Antimoine (de préférence <0.0015) ; généralement introduits essentiellement par les matières premières ; et de Calcium (de préférence < 0,004) , de dioxygène (de préférence <0.004) ; de dihydrogène (de préférence <0.0002) ; et de diazote (de préférence< 0.007) généralement dus essentiellement au procédé de fabrication. Cet acier permet de répondre aux exigences de propriétés mécaniques requises pour former un élément d'appareil à pression supportant de 4000 à 10 000 bars, tel que notamment un bouchon ou manchon de culasse ou un tube d'appareil à pression, comme un tube de canon,
De manière surprenante il a été découvert qu'il était possible de résoudre les problèmes techniques mentionnés ci-dessus, et notamment d'obtenir une très haute limite d'élasticité et un bon rapport limite d'élasticité/ ténacité à basse température pour une composition d'acierprécitée dont le taux de corroyage est inférieure ou égale à 5 et de préférence d'environ 4.5, sur la plus grande section transversale de l'élément d'acier, notamment sous forme tubulaire ou cylindrique.
Ainsi, la présente invention décrit un procédé de transformation d'une ébauche en acier de forme sensiblement tubulaire ou cylindrique comprenant essentiellement la composition suivante : Carbone : 0.35-0.43, Manganèse : <0.20, Silicium : <0.20, Nickel : 3,00-4,00,
Chrome : 1.30-1.80, Molybdène : 0,70-1,00 Vanadium : 0.20-0.35, Fer : solde en pourcentages en poids de la composition totale, ainsi que les impuretés inévitables dont du diazote (de préférence N2<70ppm), du dioxygène (de préférence O2<30ppm) et du dihydrogène (de préférence H2<2ppm), ledit procédé comprenant une étape de transformation de l'ébauche par corroyage pour obtenir un taux de corroyage de la section transversale la plus épaisse de la forme sensiblement tubulaire ou cylindrique inférieur ou égal à 5, et de préférence inférieur ou égal à 4,5.
Il est intéressant d'effectuer une transformation de l'acier précité par forgeage comprenant un montée à une température et pendant une durée suffisantes pour diminuer les ségrégations au sein de l'acier. On peut effectuer au moins une chaude pour étirer le tube à une température permettant d'éviter les criques et obtenir un taux de corroyage inférieur ou égal à 5 et de préférence inférieur ou égal à 4,5.
On entend par une ébauche sensiblement cylindrique par exemple une ébauche en forme de cylindre polygonal ou lisse. On peut avantageusement obtenir un tube par forage après le corroyage.On peut ainsi fabriquer des tubes ayant un diamètre interne d'au moins 80mm. On peut par exemple fabriquer des tubes de 105 mm,
120mm, 140mm, et 155mm avec de très bonnes propriétés mécaniques pour des tubes de canons. Les épaisseurs sont généralement supérieures à à 100 mm, ceci jusqu'à des diamètres extérieurs de 400 mm.
Avantageusement, le procédé comprend après le corroyage un recuit pour améliorer la structure de l'acier.
De manière préférée, le recuit comprend une étape de normalisation pour améliorer la structure de l'acier, notamment par le maintien à une température d'au moins 900°C, pendant par exemple au moins environ lh/50mm d'épaisseur du tube et un refroidissement à l'air jusqu'à environ
400°C.
De manière préférée, le recuit comprend une étape de recuit antiflocons comprenant un maintien à une température d'environ 650°C, lorsque la teneur en dihydrogène nécessite un tel traitement.
Avantageusement, le procédé comprend au moins un refroidissement au four pour éviter les risques de tapures au refroidissement, notamment lors de la normalisation ou du recuit antiflocons. De manière préférée, on effectue sur le cylindre ou tube d'acier obtenu en fin de corroyage un traitement thermique pour obtenir un cylindre ou tube d'acier ayant essentiellement totalement une structure martensitique, et de préférence totalement martensitique. Le traitement thermique comprend avantageusement une trempe dans un fluide de drasticite adaptée (exemple: huile) pour conduire à une structure essentiellement totalement martensitique et pour diminuer le risque de tapure. Le traitement thermique comprend avantageusement un revenu pour conduire sensiblement au maximum de dureté de l'acier. Le traitement thermique comprend avantageusement au moins un revenu pour obtenirsensiblement l'homogénéité des caractéristiques mécaniques le long du cylindre ou tube d'acier.
De très bonnes caractéristiques mécaniques (haute limite d'élasticité, bonne ténacité à basse température) sont garanties même en utilisant une trempe huile, ce qui est tout à fait avantageux du fait que l'on peut ainsi limiter le risque de tapure lors de l'opération de trempe .
Selon un mode de réalisation particulier, l'ébauche en acier de forme sensiblement tubulaire ou cylindrique est obtenue par un procédé d'élaboration de l'ébauche d'acier comprenant une étape de refusion sous laitier électroconducteur (ESR - Electroslag Remelting) ou de refusion à l'arc sous vide (VAR - Vacuum Arc Remelting), afin d'optimiser la composition, notamment en diminuant les impuretés, mais aussi en obtenant une ébauche menant après transformation à d'excellentes propriété mécaniques. La présente invention concerne une ébauche d'acier pour former un élément d'appareil à pression susceptible d'être obtenu à l'une quelconque des étapes du procédé décrit ci-dessus.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'homme de l'art suite à la lecture de la description explicative qui fait référence à des exemples qui sont donnés seulement à titre d'illustration et qui ne sauraient en aucune façon limiter la portée de l'invention.
Les exemples font partie intégrante de la présente invention et toute caractéristique apparaissant nouvelle par rapport à un état de la technique antérieure quelconque à partir de la description prise dans son ensemble, incluant les exemples, fait partie intégrante de l'invention dans sa fonction et dans sa généralité.
Ainsi, chaque exemple a une portée générale.
D'autre part, dans les exemples, tous les pourcentages sont donnés en poids, sauf indication contraire, et la température est exprimée en degréCelsius sauf indication contraire, et la pression est la pression atmosphérique, sauf indication contraire.
EXEMPLES
Exemple 1 : TRANSFORMATION : FORGEAGE
Une (ou plusieurs) ébauche en acier de forme sensiblement tubulaire ou cylindrique comprenant essentiellement la composition suivante : Carbone : 0.37-0.42
Manganèse : <0.15, Silicium : <0.100 Nickel : 3,50-3,80 Chrome : 1.50-1.70, Molybdène : 0,70-1,00
Vanadium : 0.25-0.30, en pourcentages en poids de la composition totale, ainsi que les impuretés inévitables dont du dioxygène (de préférence <0.004) ; du dihydrogène (de préférence <0.0002) ; et du diazote (de préférence< 0.007), est transformée pour fournir un tube utilisable dans l'armement, comme un tube de canon ayant une très haute limite d'élasticité et un bon rapport limite d'élasticité/ ténacité à basse température .
Les teneurs en gaz de l'acier (O2/ N2, H2) sont dosées en cours d'élaboration et à la coulée des lingots, au moyen d'analyseurs de gaz . Les activités d'Oxygène et les pressions partielles d'Hydrogène sont mesurées en cours d'élaboration par des dispositifs électrochimiques : Pile 02 , sonde Hydriss.Cette ébauche a subi les étapes de transformation suivantes :
1 Chauffage de lingot avant forgeage :
Le lingot est chauffé pour diminuer les ségrégations sur le produit (par exemple au moins lOh, jusqu'à environ 1200°C pour un lingot de 8 à 10 tonnes) ;
2 Forgeage du lingot obtenu (par exemple pour réaliser un tube ayant un diamètre interne de 120 mm) comprenant au moins une chaude pour éviter les criques et pour obtenir un taux de corroyage inférieur à 5 et de préférence inférieur à 4,5 sur la section transversale, notamment à la section transversale la plus grande. Le forgeage peut comprendre notamment les étapes suivantes :
- Après une première chaude, on effectue une remise au feu à une température par exemple d'environ 1200 à 1230°C pendant par exemple au moins quatre heures.
- La réalisation d'une seconde chaude d'étirage.
Ce procédé permet d'obtenir une ébauche cylindrique ou tubulaire par exemple suivant les dimensions extérieures : - Culasse : Φ 350 x 1500 mm
- Φ 300 x 800 mm
- Φ 250 x 2500 mm
- volée : Φ 235 x 1600 minimum , longueur totale > 6300 mm
On obtient ainsi des taux de corroyage de 4,5 ou moins en culasse, ce qui est tout à fait surprenant puisque normalement le taux de corroyage obtenu en culasse pour ce type de nuance d'acier est supérieur à 5.
Si l'ébauche n'est pas de forme tubulaire, on réalise alors un forage pour obtenir le tube souhaité.On effectue de préférence un recuit après forgeage pour obtenir une structure essentiellement totalement martensitique et ainsi une meilleure limite d'élasticité dans les applications en tant qu'élément d'appareil à pression, tel qu'un tube de canon.
Exemple 2 : TRANSFORMATION RECUIT APRES FORGEAGE
On réalise un recuit après forgeage, par exemple sur le tube obtenu à l'exemple 1, pour améliorer la microstructure de l'acier (étape de Normalisation), éviter les risques de tapures au refroidissement (étape de refroidissements au four), et éviter l'apparition type flocons ou DDH sur les produits après refroidissement avec un recuit anti-flocons lorsque les ébauches ont été refondus par le procédé ESR en laitier solide ou liquide ou par le procédé VAR de Refusion sous Vide .
Exemple 3 : TRANSFORMATION : TRAITEMENT THERMIQUE DE QUALITE
On effectue avantageusement, par exemple sur le tube ou cylindre obtenu selon l'exemple 2, un ebauchage au profil de traitement thermique comprenant un traitement thermique de qualité. Ce traitement a pour objectif de conférer aux tubes ou cylindres toutes les propriétés mécaniques requises en optimisant le compromis limite élastique/résilience à -40 °C et Klc ou J le à -40 °C.
Une trempe huile ou avec un autre fluide de drasticite adaptée conduit notamment à une structure totalement martensitique en évitant le risque de tapure. Ce traitement thermique de qualité comprend avantageusement un premier revenu conduisant au maximum de Dureté ; la réalisation de deux revenus à des températures permettant de garantir une grande homogénéité des caractéristiques mécaniques le long du tube en améliorant le niveau de resilience.La réalisation de trois revenus et d'un refroidissement lent au four après le dernier revenu permet de garantir la rectitude finale du tube et l'absence de déformations lors de l'usinage final.
A titre d'exemple le traitement thermique de qualité comprend :
- AUSTENΓΠSATIQN + TREMPE :
- Un enfournement au four du tube à une température inférieure à environ 450 °C ; - Une montée par exemple à une température supérieure à 850 °C à une vitesse inférieure à environ 80 °C/h ;
- Un maintien à une température supérieure à 850°C pendant une période supérieure à 4h pour une ébauche de tube de 120 mm;
- Une trempe huile avec par exemple une injection d'huile dans l'alésage jusqu'à obtenir une température inférieure à par exemple environ 150°C en tout point , puis un refroidissement à l'air jusqu'à par exemple environ 80 °C.
- PREMIER REVENU à une température supérieure à 500°C : - SECOND REVENU à une température supérieure à 550°C:
- TROISIEME REVENU à une température supérieure à 500 °C.
On peut effectuer les revenus en vertical avec mise en rotation des produits afin de garantir une bonne rectitude. Durant le procédé il peut être réalisé des redressages à chaud afin de garantir une bonne rectitude générale des tubes ou cylindres. Ainsi on peut obtenir les propriétés mécaniques suivantes :
On obtient un excellente resilience et ténacité à basse température : 
Ces valeurs de résistance et de ténacité sont obtenues pour des limites élastiques (RpO.2%) jusqu'à 1450 Mpa. Cela est obtenu notamment grâce au choix et à la teneur des éléments de l'acier (C, Ni, Cr, Mo, V), et au traitement thermo-mécanique (forgeage, traitements thermiques).
Exemples de propriétés mécaniques obtenus :
TABLEAU 1 : par élaboration FEA (Four Electrique à Arc) + VAD (Vacuum Arc Degasing) :
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Claims (3)
- REVENDICATIONS1. Procédé de transformation d'une ébauche en acier de forme sensiblement tubulaire ou cylindrique comprenant essentiellement la composition suivante en pourcentages en poids de la composition totale: Carbone : 0.35-0.43, et de préférence 0.37-0.42, Manganèse : <0.20, et de préférence <0.15, Silicium : <0.20, et de préférence <0.100,Nickel : supérieur à 3.00 et inférieur ou égal à 4.00, et de préférence 3,60-3,80Chrome : 1.30-1.80, et de préférence 1.50-1.70, Molybdène : 0,70-1,00 Vanadium : 0.20-0.35, Fer : solde ainsi que les impuretés inévitables qui sont généralement du diazote (de préférence <70ppm), du dioxygène (de préférence <30ppm) et du dihydrogène (de préférence <2ppm), ledit procédé comprenant une étape de transformation de l'ébauche par corroyage pour obtenir un taux de corroyage de la section transversale la plus épaisse de la forme sensiblement tubulaire ou cylindrique inférieur ou égal à 5 et de préférence inférieur ou égal à 4,5.
- 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend après le corroyage un recuit pour améliorer la structure de l'acier.
- 3. Procédé, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le recuit comprend une étape de normalisation pour améliorer la structure de4. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le recuit comprend une étape de recuit anti-flocons comprenant un maintien à une température d'environ 650° C.5. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comprend au moins un refroidissement au four pour éviter les risques de tapures au refroidissement, notamment lors du recuit anti-flocons ou de la normalisation.6. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue sur le cylindre ou tube d'acier obtenu à l'une quelconque des revendications précédentes un traitement thermique pour obtenir un cylindre ou tube d'acier ayant essentiellement totalement une structure martensitique.7. Procédé, selon la revendication 6, caractérisé en ce que le traitement thermique comprend une trempe huile ou avec un fluide de drasticite adaptée pour conduire à une structure essentiellement totalement martensitique et pour diminuer le risque de tapure.8. Procédé, selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le traitement thermique comprend un premier revenu pour conduire sensiblement au maximum de dureté de l'acier. 9. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le traitement thermique comprend au moins un revenu pour obtenir sensiblement l'homogénéité des caractéristiques mécaniques le long du cylindre ou tube d'acier.10. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ébauche en acier de forme sensiblement tubulaire ou cylindrique est obtenue par un procédé d'élaboration de l'ébauche d'acier comprenant une étape de refusion sous laitier électroconducteur (ESR - Electroslag Remelting) ou de refusion à l'arc sous vide (VAR Vacuum Arc Remelting).11. Ebauche d'acier pour former élément d'appareil à pression susceptible d'être obtenue par un procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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