WO2023110810A1 - Fil d'acier à fort taux de matériau recyclé pour le renforcement d'articles de caoutchouc - Google Patents

Fil d'acier à fort taux de matériau recyclé pour le renforcement d'articles de caoutchouc Download PDF

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WO2023110810A1
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diameter
steel
metal wire
metal
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PCT/EP2022/085511
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Arnaud Verleene
Eva JOANNET
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Compagnie Generale Des Etablissements Michelin
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Definitions

  • the present invention relates to the field of metal wires for the reinforcement of rubber articles such as pneumatic or non-pneumatic tires, caterpillars and conveyor belts, in particular to the field of metal wires for tire bead wires, these wires having a sustainable material rate, that is to say in this case a very high recycled material rate.
  • the invention also relates to the field of processes allowing the manufacture of such threads.
  • the steels used to manufacture the metal wires for the reinforcement of rubber articles such as pneumatic or non-pneumatic tires, caterpillars and conveyor belts have very low chemical composition tolerances, on the one hand in order to allow severe shape by drawing and on the other hand in order to have sufficient mechanical strength to ensure their reinforcing function.
  • the residuals present in the chemical composition must be as low as possible.
  • Steel is produced by two major channels, known as the “blast furnace channel” and the “electrical channel”.
  • blast furnace makes it possible to manufacture very high quality steel.
  • the raw material used comes from ore, guaranteeing the steel produced very low residual element values.
  • this sector generates a significant environmental impact, particularly in terms of COa emissions. Partial replacement of the ore with recycled steel (or “scrap”) is possible and reduces the environmental impact.
  • the constraints of the process are such that the maximum quantity of scrap admissible by this process is limited to 30%. These constraints limit the possible reductions in terms of the environmental footprint of the steel produced by the blast furnace sector when this steel must meet the constraints necessary to be used as reinforcement for rubber articles.
  • steel can be produced by the so-called “electric” process.
  • This sector makes it possible to recycle a greater proportion of scrap metal, or even can accept a load comprising 100% scrap metal.
  • increasing the recycling rate also increases the rate of residuals in the steel produced, such as copper, nickel, molybdenum, chromium.
  • scrap substitutes such as pre-reduced iron ores (“Direct Reduced Iron” or DRI) which are derived from ore and have low residual contents.
  • DRI Direct Reduced Iron
  • the applicant discovered a metal wire for the reinforcement of rubber articles having an improved environmental footprint with a high rate of recycled steel whose performance during its use is maintained.
  • the invention relates to a steel-based metal wire for the reinforcement of rubber articles selected from tires for vehicles, caterpillars and conveyor belts obtained by a method comprising at least ⁇
  • the wire rod manufacturing step comprises a steel manufacturing operation in an electric furnace.
  • the step of manufacturing the wire rod is carried out from a charge comprising at least 80% by weight of recycled steel.
  • the recycled feed supplying the wire rod manufacturing step is at least one scrap chosen from the categories E2, E8, E8E, E6 and E653 defined in standard NF A 08-821.
  • the diameter d1 ranges from 0.6 to 3.0 mm.
  • the metal wire has a twist value of at least 20 turns, this value being measured according to standard ASTM E 558 _ 83.
  • the metal wire has a breaking strength Rm, measured according to standard ASTM D2969-04, at least equal to 600 MPa, preferably at least equal to 1000 MPa.
  • the metal wire manufacturing process comprises, after the step of reducing the diameter of the wire rod, a heat treatment step.
  • the process for manufacturing the metal wire further comprises a step of forming, on the surface of the wire of diameter dl, a metal coating chosen from the group formed by copper, zinc, nickel, cobalt, tin, iron, aluminum, manganese, an alloy of two of these metals and an alloy of three of these metals, preferably chosen from the group formed by an alloy of copper and zinc, an alloy of copper and tin, and a ternary alloy formed by copper, zinc, and a metal selected from nickel, cobalt, tin and iron.
  • a metal coating chosen from the group formed by copper, zinc, nickel, cobalt, tin, iron, aluminum, manganese, an alloy of two of these metals and an alloy of three of these metals, preferably chosen from the group formed by an alloy of copper and zinc, an alloy of copper and tin, and a ternary alloy formed by copper, zinc, and a metal selected from nickel, cobalt, tin and iron.
  • the steel at the base of the metal wire has, in% by weight of steel, the following composition :
  • the steel at the base of the metal wire has, in% by weight of steel, the following composition :
  • the steel at the base of the wire comprises at least 80 ppm of nitrogen.
  • the method of manufacturing the metal wire further comprises a step of drawing the metal wire from the diameter d1 to a diameter d2.
  • the diameter d2 ranges from 0.06 to 0.4 mm.
  • the invention also relates to a reinforcement bead for a tire intended for vehicles comprising a metal wire according to the invention.
  • the invention also relates to a cable for reinforcing rubber articles chosen from tires for vehicles, caterpillars and conveyor belts comprising an assembly of metal wires according to the invention.
  • the invention also relates to a process for manufacturing a metal wire based on steel for the reinforcement of rubber articles chosen from tires for vehicles, caterpillars and conveyor belts comprising at least ⁇
  • the invention also relates to the use of the metal wire according to the invention in a rubber article chosen from pneumatic tires, non-pneumatic tires, caterpillars and conveyor belts.
  • the compounds mentioned in the description can be of fossil origin or biosourced. In the latter case, they can be, partially or totally, derived from biomass or obtained from renewable raw materials derived from biomass. This concerns in particular polymers, plasticizers, fillers, etc.
  • any interval of values denoted by the expression “between a and b” represents the domain of values going from more than a to less than b (i.e. limits a and b excluded) while any interval of values denoted by the expression “from a to b” signifies the range of values going from a to b (that is to say including the strict limits a and b).
  • the metal wire according to the invention is a metal wire based on steel for the reinforcement of rubber articles chosen from tires for vehicles, whether these tires are pneumatic or non-pneumatic, caterpillars and conveyor belts obtained by a method comprising at least ⁇
  • non-pneumatic bandage we mean a bandage whose shape is maintained by a means other than a gas, for example air, put under pressure.
  • a means other than a gas for example air
  • such a non-pneumatic bandage can be kept in shape using semi-rigid stays.
  • metal wire is meant an object having a very long length relative to its section, this section being observed along a plane perpendicular to the longest length of the wire.
  • the section of the metal wire can be of circular, oval or polygonal shape, for example square or rectangular, the angles being able, in the case of a polygonal shape, to be rounded.
  • the shape of the section of the wire is conferred during the steps of reducing the diameter of the wire by the diameter reduction means, these means being, for example, dies or rolling devices.
  • the section of the metal wire is circular, oval or rectangular.
  • diameter of the wire is meant the greatest length of the section of the wire.
  • Wire is steel-based, steel being understood as a material which contains more iron by mass than any other element, generally comprising less than 2% by mass of carbon as well as other elements, in accordance with the standard EN 10020.
  • the steel at the base of the metal wire according to the invention is obtained by a process comprising at least one step of manufacturing a wire called "wire rod" with a diameter d ranging from 4.5 to 6.5 mm to from a charge comprising at least 70% by weight of recycled steel.
  • This steel is produced by the so-called “electrical sector” using an electric furnace. This sector is well known to those skilled in the art and described for example in the article "The manufacture and naming of steels” in Engineering Techniques, TBA1040.
  • the steel at the base of the metal wire according to the invention comprises at least 70% by weight of recycled steel, and preferably at least 80% by weight of recycled steel.
  • This steel due to its production process, comprises a high nitrogen content, preferably ranging from 70 ppm to 120 ppm and more preferably ranging from 80 ppm to 120 ppm.
  • Such a nitrogen content does not generally make a steel suitable for use in reinforcing rubber articles selected from pneumatic tires, non-pneumatic tires, tracks and conveyor belts.
  • the combination of manufacturing steel in an electric furnace associated with a selection of the scrap used for said manufacture made it possible to obtain a steel that could be used for reinforcing the above-mentioned rubber articles. appointed.
  • the scrap used is chosen from so-called "new scrap with low residual and uncoated” scrap in accordance with standard NF A 08-821, Table 2, namely from categories E2, E8, E8E, E6 and E653.
  • this scrap is made to use only those with very low residuals (Cu, Sn, Cr, Ni, Mo).
  • the steel at the base of the metal wire according to the invention has, in% by weight of steel, the following composition:
  • the steel at the base of the metal wire according to the invention has, in% by weight of steel, the following composition ⁇
  • the metal wire according to the invention is obtained by a method also comprising a step of reducing the diameter of the wire rod from a diameter d to a diameter dl.
  • This step can be carried out according to any method known to those skilled in the art.
  • this step can be carried out by rolling, by passing the metal wire through a succession of pairs of rollers, each pair being oriented at an angle with respect to the preceding pair, for example oriented perpendicularly.
  • this step is carried out by drawing.
  • This wire drawing step well known to those skilled in the art, is often referred to as “dry wire drawing”. It typically includes several operations.
  • the wire rod of initial diameter d ranging from 4.5 to 6.5 mm is unwound.
  • This yarn has a maximum breaking stress of between 300 MPa and 1300 MPa.
  • the yarn is stored in the form of a bundle on a reel from which it is unrolled using automated unwinding means, for example an unwinder.
  • the micro-structure of the steel is then ferritic-pearlitic.
  • the wire rod is passed through several successive pulleys and through two straighteners each formed by several pulleys, the pulleys of each straightener being mounted in rotation along an axis perpendicular to the axis of rotation pulleys from the other straightener.
  • the wire rod is coated with a layer of a drawing lubricant before starting the actual drawing, in n drawing operations, n possibly varying from 6 to 12, for example.
  • the purpose of the n drawing operations is to reduce the diameter of the metal wire from the initial diameter dto an intermediate diameter d1.
  • the drawing operations preferably form an uninterrupted series of drawing operations in a dry environment of the metal wire from the initial diameter d to the intermediate diameter d1.
  • Each drawing operation is a drawing operation in a dry environment in which the metal wire is passed through a die of diameter smaller than the diameter of the wire upstream of the die.
  • the metal wire has a diameter downstream of the die that is smaller than the diameter upstream of the die.
  • the diameter of each die is smaller than the diameter of the die located upstream.
  • Means for pulling the metal wire positioned downstream of each die make it possible to exert a pulling force sufficient to pull the wire through each die.
  • a wire-drawing lubricant in powder form is used.
  • the metal wire circulates in a gaseous medium, for example ambient air.
  • the wire-drawing lubricant during wire-drawing in a dry environment is in powder form.
  • the traction means for example capstans, are exposed to the gaseous environment, for example ambient air.
  • uninterrupted series of wire-drawing steps it is meant that the metal wire makes a series of successive passes through several wire-drawing dies, each pass through each die drawing corresponding to a drawing operation. Apart from the last pass, each pass in a die is followed directly by a pass in the die which succeeds it.
  • the metal wire does not undergo any other operation, in particular heat treatment or coating, than a drawing operation. In other words, the metal wire does not undergo any operation, in particular heat treatment or coating, between two directly successive series drawing operations.
  • the metal wire can optionally be wound on a reel during a winding operation, prior to its possible treatment in subsequent stages of diameter reduction, coating or setting. in shape. Coiling can be used to store the wire temporarily, or to transport it to the place of implementation of the other steps. The wire is then then unwound in an unwinding operation before being fed to any next step in the process.
  • the diameter d1 ranges from 0.6 to 3.0 mm.
  • diameter we mean the largest dimension in which the section of the wire fits, i.e. the diameter of the circle circumscribed to the section of the wire.
  • the metal wire of diameter d1 preferably has a breaking strength Rm, measured according to the ASTM 02969'04 standard, at least equal to 600 MPa, preferably at least equal to 1000 MPa.
  • the metal wire of diameter d1 has a breaking strength Rm at least equal to 1500 MPa for a diameter of 2.0 mm.
  • the metal wire of diameter d1 has a torsion value of at least 20 turns, this value being measured according to standard ASTM E 558'83.
  • the metal wire is subjected, following the step of reduction to a diameter d1, to a heat treatment operation. If a winding operation is implemented after the drawing operations in a dry environment, the heat treatment operation is implemented after the unwinding operation.
  • the heat treatment operation makes it possible to modify the metallographic structure of the metal wire of diameter d1 to regenerate the structure of the wire rod.
  • Those skilled in the art know how to find the various parameters of this step, for example in "The principles of basis of the heat treatment of steels”, André Constant and Guy Henry, ISBN 2-85330-083-8.
  • the metal wire of diameter d1 is heated to a temperature greater than or equal to the austenitization temperature of the steel, here greater than or equal to 850°C.
  • the austenitization temperature of the steel here greater than or equal to 850°C.
  • the person skilled in the art knows, in particular as described in "Précis de metallurgie", ISBN 2-12-260121-6, what austenitization temperature it must reach.
  • the austenitization is not sufficient, non-recrystallized bands remain and the austenite obtained is not homogeneous, which is detrimental to subsequent drawing.
  • the microstructure obtained during subsequent cooling is an acicular ferrite (known as Windmanstatten) for a low carbon steel or bainte-martensitic for a high carbon steel and not a ferrito-pearlitic structure.
  • the metal wire of diameter d1 is then cooled so as to give the steel a pearlitic or ferritic-pearlitic microstructure.
  • the metal wire is cooled to prevent the formation of a microstructure other than a pearlitic, ferritic or ferrito-pearlitic structure. Too fast a cooling rate would lead to an acicular, bainitic or martensitic ferritic microstructure.
  • a person skilled in the art knows how to determine the cooling rate according to the chemical composition of the steel, the austenitization temperature by means of charts available in particular in the document "Atlas of transformation curves of French-made steels" , IRDIS, 1974.
  • the process for obtaining the metal wire according to the invention further comprises a step of forming, on the surface of the wire of diameter dl, a metal coating chosen from the group formed by copper, zinc, nickel, cobalt, tin, iron, aluminum, manganese, an alloy of two of these metals and an alloy of three of these metals, preferably chosen from the group formed by an alloy of copper and zinc, an alloy of copper and tin, and a ternary alloy formed by copper, zinc, and a metal selected from nickel, cobalt, tin and iron.
  • a metal coating chosen from the group formed by copper, zinc, nickel, cobalt, tin, iron, aluminum, manganese, an alloy of two of these metals and an alloy of three of these metals, preferably chosen from the group formed by an alloy of copper and zinc, an alloy of copper and tin, and a ternary alloy formed by copper, zinc, and a metal selected from nickel, cobalt, tin and iron.
  • the process for obtaining the metal wire according to the invention further comprises a step of drawing the metal wire from the diameter d1 to a diameter d2.
  • This step well known to those skilled in the art, is often referred to as “draw drawing in a wet environment”.
  • the step of drawing the metal wire to a diameter d2 is carried out by passing the metal wire successively through several dies whose passage diameters are progressively decreasing.
  • the number of dies, and consequently the number of successive reductions in diameter is a function of the ductility of the metal wire and of the diameter d2 to be achieved. The lower this is, the greater the number of dies may be.
  • Yarn pulling means positioned downstream of each die make it possible to exert a pulling force sufficient to pull the yarn through each die.
  • the traction means and the dies are immersed in a liquid bath of drawing lubricant, for example as described in document WO 2008/113481.
  • the metal wire circulates in a liquid medium, for example an aqueous solution.
  • a liquid medium for example an aqueous solution.
  • the drawing lubricant during drawing in a wet environment is in liquid form.
  • the traction means for example capstans, are exposed to the liquid medium, for example the aqueous solution.
  • the metal wire undergoes from 1 to m drawing operations (m varying for example from 8 to 23) making it possible to reduce the diameter of the metal wire from a diameter d1 to the diameter d2 as well as to increase the maximum stress at break. metal wire.
  • the diameter d2 ranges from 0.06 to 0.4 mm.
  • the drawing operations form an uninterrupted series of drawing operations in a wet environment of the wire from the diameter d1 to the diameter d2.
  • Each operation 1 to m is a drawing operation in a wet environment in which the metal wire is passed through a die of diameter smaller than the diameter of the wire upstream of the die.
  • the metal wire has a diameter downstream of the die that is smaller than the diameter upstream of the die.
  • the diameter of each downstream die is less than the diameter of the die located upstream.
  • uninterrupted series of wire-drawing operations it is meant that the metal wire makes a series of successive passes through several wire-drawing dies, each pass through each wire-drawing die corresponding to a wire-drawing operation. Apart from the last pass, each pass in a die is followed directly by a pass in the die which succeeds it.
  • the metal wire does not undergo any operation, in particular heat treatment or coating, other than a drawing operation. In other words, the metal wire does not undergo any operation, in particular heat treatment or coating, between two directly successive series drawing operations.
  • the invention also relates to a method comprising the steps for obtaining a metal wire described herein.
  • a pneumatic tire generally comprises a crown comprising a crown reinforcement surmounted by a tread, two sidewalls extending the crown radially inwards, two beads radially inside the sidewalls and each comprising an annular reinforcing structure as well as a carcass ply anchored in the beads, extending through the sides and crown.
  • the annular reinforcement structure comprises a rod substantially of revolution around an axis.
  • the crown reinforcement, the bead wire and the carcass ply may contain steel reinforcements comprising a metal wire according to the invention.
  • the yarn according to the invention is intended for the reinforcement of rubber articles chosen from pneumatic tires, non-pneumatic tires, caterpillars and conveyor belts.
  • a yarn can be used as such, or in the form of an assembly of several yarns.
  • the assembly can be carried out by any method known to those skilled in the art such as cabling, twisting, winding or other.
  • the metal wire according to the invention can be shaped in the form of rod.
  • the invention therefore also relates to a reinforcing bead for a tire intended for vehicles comprising a metal wire according to the invention of diameter dl.
  • the bead can be any type of bead used in tires intended for vehicles, for example a so-called braided bead, a bundle-type bead or a conical rectangular wire bead.
  • a package rod is a rod comprising several windings of at least one metal wire of diameter dl, optionally coated with a metal coating, for example galvanized, arranged axially next to each other on several layers radially superimposed on each other .
  • the metal wire of diameter dl can be of round, square or rectangular section.
  • a braided rod is a rod comprising several windings of at least one metal wire of diameter dl, optionally coated with a metal coating, for example galvanized, the wire being wound helically around a central wire, called the core wire on one or more layers.
  • a conical rectangular wire bead is an annular structure of revolution whose axis of revolution coincides with that of the tire for vehicles, comprising several windings of at least one metal wire of rectangular section (1), for example with a section of 2 mm by 1.3 mm, optionally coated with a metallic coating, for example galvanized, these windings being arranged side by side in a direction (2) forming a small angle with respect to the direction axial (3), for example 6 windings arranged side by side in a direction forming an angle of 15° with the axial direction, the long length of the metal wire of rectangular section being aligned with this direction, on several layers radially superimposed on each the others, for example 6 layers (6x6 rod), or for example 8 windings arranged side by side in a direction forming an angle of 15° with the axial direction, the long length of the metal wire of rectangular section being aligned with this direction, on several layers radially superimposed on each other, for example 5 layers (8x
  • the metal wire according to the invention can be shaped in the form of an assembly of metal wires in the form of cables used for the reinforcement of rubber articles, for example in the crown reinforcements or the carcass plies of tires for vehicles.
  • assemblies such as so-called "2.30" assemblies consisting of the assembly by helical winding of two wires 30 hundredths in diameter or called “9.28”” consisting of a cable comprising a first layer of 2 wires wound helically around each other, and a layer of 7 wires wound helically around the first layer with wires of diameter 0.28mm or called “19.18” consisting of a cable comprising a wire core, a first layer of 6 wires with a diameter of 0.18 mm wound helically around the core wire and a layer of 12 wires with a diameter of 0.18 mm wound helically around the first layer or called "6.35 Elastic" consisting into a cable comprising three strand
  • the invention also relates to the use of the metal wire according to the invention in a rubber article chosen from pneumatic tires, non-pneumatic tires, caterpillars and conveyor belts.
  • Wire rods with a diameter of 5.5 mm are made from castings from an electric furnace.
  • the charge for the manufacturing stage includes 37% weight of recycled scrap.
  • the charge for the manufacturing stage includes 85% weight of recycled scrap.
  • the steels obtained have the following compositions (in % by weight): ⁇
  • Metal wires with a diameter of 2.00 mm and 1.30 mm are produced from these machine wires.
  • the 2.00 mm diameter wire is obtained by drawing in a dry environment a 5.5 mm diameter wire rod using 8 successive dies allowing a gradual reduction in the diameter of the wire.
  • the 1.30 mm diameter wire is obtained by drawing in a dry environment a 5.5 mm diameter wire rod using 12 successive dies allowing a gradual reduction in the diameter of the wire.
  • the mechanical strength Rm, its elongation at break At, and the torsional strength expressed as the number of turns before break are measured. These measurements are carried out in accordance with the ASTM D4975-14 standard. They are carried out on an unaged sample as well as on an aged sample at 150°C for 60 min in accordance with the indications presented in the standard.
  • results are presented in base 100 on the basis of the unaged control.
  • a value greater than 100 means a value greater than that of the unaged control.
  • a rotary bending test is also carried out in a dry atmosphere. This test makes it possible to measure the maximum endurance stress in rotary bending in a dry environment (crD) of each wire tested.
  • the rotary bending test (“Hunter fatigue test”) is a known fatigue test; it has been described in patent US Pat. No. 2,435,772 and used for example in patent application EP-A-220,766 to test the fatigue-corrosion resistance of metal wires intended for reinforcing tire casings.
  • ⁇ a sample of the wire to be tested, of determined length, is held at each of its two ends by two parallel jaws. In one of the jaws, the wire can rotate freely while it remains fixed in the second jaw which is motorized. Setting in bending of the wire makes it possible to apply to it a given bending stress o whose intensity varies with the imposed radius of curvature, itself a function of the useful length of the sample (for example from 70 to 250 mm) and of the distance between the two jaws (for example from 30 to 115 mm).
  • the test is carried out as follows: a first stress o is chosen and the fatigue test is launched for a maximum number of 10 B cycles, at the rate of 3000 rotations per minute. Depending on the result obtained - ie breakage or non-breakage of the cable at the end of these 10 B cycles maximum - a new stress o is applied (lower or greater than the previous one, respectively) on a new specimen, by varying this stress o according to the so-called staircase method (Dixon & Mood Journal of the American statistical association, 43, 1948, 109-126). A total of 17 iterations are thus carried out, the statistical processing of the tests defined by this staircase method leads to the determination of an endurance limit - denoted Od ⁇ which corresponds to a probability of wire breakage of 50% at the end of the 10 B fatigue cycles.
  • breaking the cable here is meant the breaking of at least one wire constituting the cable.
  • E the Young's modulus of the material (in MPa)
  • cp the diameter of the broken wire (in mm)
  • the metal wire according to the invention has characteristics quite similar to the control wire, with in particular comparable torsion values.
  • a tire is manufactured for heavy goods vehicles, which differs from a commercial tire of the 315/70R22.5 Michelin X Multi Energy Z type marketed in 2019 only in that the bead wires and cables of the carcass ply are made from a “strong TMD” composition yarn presented above.
  • the tire comprising the yarns of “strong TMD” composition is compared with a commercial tire of the 315/70R22.5 Michelin X Multi Energy Z type marketed in 2019, designated as “control tire”.
  • a "strong TMD" tire and a “Control” tire are mounted on suitable rims and are inflated to the same pressure (with an overpressure of 20% compared to the nominal pressure) with saturated air in humidity. These tires are then rolled on a flywheel, under a high load (20% overload relative to the nominal load) and at a speed of 40 km/h, for 150,000 kilometres.
  • the cords are extracted from the carcass of the tire, by peeling, and the residual breaking force is measured on the cords thus fatigued.
  • the cables according to the invention used in tires therefore show no significant difference compared to the cables of the prior art in terms of performance, and in particular endurance.

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Abstract

L'invention concerne un fil métallique à base d'acier pour le renforcement d'articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pour véhicules, les chenilles et les bandes transporteuses obtenu par un procédé comprenant au moins une étape de fabrication d'un fil en acier dit « fil machine » d'un diamètre d' allant de 4,5 à 6,5 mm à partir d'une charge comprenant au moins 70% en poids d'acier recyclé, l'acier du fil machine présentant une teneur en azote au moins égale à 70 ppm et une étape de réduction du diamètre du fil machine d'un diamètre d vers un diamètre d1.

Description

Fil d’acier à fort taux de matériau recyclé pour le renforcement d’articles de caoutchouc
1 Domaine technique de l'invention
La présente invention est relative au domaine des fils métalliques pour le renforcement des articles de caoutchouc tels que des bandages pneumatiques ou non-pneumatiques, des chenilles et des bandes transporteuses, en particulier au domaine des fils métalliques de tringles d’enveloppes pneumatiques, ces fils présentant un taux de matière durable, c’est-à- dire en l’espèce un taux de matière recyclée, très élevé. L’invention est également relative au domaine des procédés permettant la fabrication de tels fils.
2 Art antérieur
Les aciers utilisés pour fabriquer les fils métalliques pour le renforcement des articles de caoutchouc tels que des bandages pneumatiques ou non-pneumatiques, des chenilles et des bandes transporteuses ont des tolérances en composition chimique très faibles, d’une part afin de permettre une mise en forme sévère par tréfilage et d’autre part afin d’avoir une résistance mécanique suffisante pour assurer leur fonction de renforcement. Ainsi les résiduels présents dans la composition chimique doivent être les plus faibles possibles.
L’acier est produit par deux grandes filières, dites « filière haut fourneau » et « filière électrique ».
La filière dite « haut fourneau » permet de fabriquer un acier de très grande qualité. La matière première utilisée provient de minerai, garantissant à l’acier produit des valeurs en éléments résiduels très faibles. Toutefois cette filière engendre un impact environnemental important, notamment en termes d’émissions de COa. Un remplacement partiel du minerai par de l’acier recyclé (ou « ferraille »), est possible et permet de diminuer l’impact environnemental. Toutefois, les contraintes du procédé sont telles que la quantité maximale de ferrailles admissible par ce procédé est limitée à 30%. Ces contraintes limitent les réductions envisageables en termes d’empreinte environnementale de l’acier produit par la filière hautfourneau lorsque cet acier doit répondre aux contraintes nécessaires pour être utilisé comme renforcement d’articles de caoutchouc.
Pour augmenter la part d’acier recyclé, et donc viser à réduire encore l’empreinte environnementale de l’acier produit, on peut produire de l’acier par la filière dite « électrique ». Cette filière permet de recycler une part plus importante de ferrailles, voire peut accepter une charge comprenant 100% de ferrailles. Cependant, l’augmentation du taux de recyclage augmente également le taux de résiduels dans l’acier produit, tels que cuivre, nickel, molybdène, chrome. Pour limiter les concentrations de ces espèces et atteindre les propriétés recherchées, on peut employer des substituts de ferrailles, comme des minerais de fer préréduits (« Direct Reduced Iron » ou DRI) qui sont issus de minerai et présentent des teneurs faibles en résiduels. L’emploi de ces substituts de ferraille permet de garantir la qualité de l’acier produit, et notamment sa tréfilabilité, mais limite les bénéfices environnementaux de l’acier produit par la filière électrique, notamment en limitant la teneur en acier recyclé.
Le second problème majeur de la filière électrique pour la production d’aciers destinés aux bandages pneumatiques, et donc devant subir une opération de tréfilage, est la présence de fortes teneurs en azote. Il est bien connu que la teneur en cet élément doit être limitée pour garantir la tréfilabilité de l’acier et la qualité du fil obtenu. Par exemple, le document EP 3181713 indique qu’une teneur en azote supérieure à 0,007% (soit 70 ppm) détériore la tréfilabilité du fil. Les documents « Effect of microalloying on the strength of high carbon wire steel” (S. Miller, PhD Thesis) et Das et al., Journal of Failure Analysis and Prevention, 2013- 13(6) pp.684-688 montrent qu’une teneur en azote supérieure à 40 ppm dégrade très fortement la résistance du fil tréfilé lorsqu’il est soumis à un test de torsion.
La présence d’azote est donc un frein à l’utilisation des aciers issus de la filière électrique pour le tréfilage, limitant par conséquent le taux de matière durable, c’est-à-dire issu du recyclage, dans les fils pour bandages pneumatiques.
Poursuivant ses recherches, la demanderesse a découvert un fil métallique pour le renforcement d’articles de caoutchouc présentant une empreinte environnementale améliorée avec un fort taux d’acier recyclé dont les performances lors de son utilisation sont maintenues.
3 Description détaillée de l’invention
L’invention concerne un fil métallique à base d’acier pour le renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pour véhicules, les chenilles et les bandes transporteuses obtenu par un procédé comprenant au moins ■
• une étape de fabrication d’un fil en acier dit « fil machine » d’un diamètre d allant de 4,5 à 6,5 mm à partir d’une charge comprenant au moins 70% en poids d’acier recyclé, l’acier du fil machine présentant une teneur en azote au moins égale à 70 ppm ;
• une étape de réduction du diamètre du fil machine d’un diamètre d vers un diamètre dl.
De préférence, l’étape de fabrication du fil machine comprend une opération de fabrication de l’acier dans un four électrique. De préférence, l’étape de fabrication du fil machine est réalisée à partir d’une charge comprenant au moins 80% en poids d’acier recyclé.
De préférence, la charge recyclée alimentant l’étape de fabrication du fil machine est au moins une ferraille choisie dans les catégories E2, E8, E8E, E6 et E653 définies dans la norme NF A 08-821.
De préférence, le diamètre dl va de 0,6 à 3,0 mm.
De préférence, le fil métallique présente une valeur de torsion d’au moins 20 tours, cette valeur étant mesurée selon la norme ASTM E 558_83.
De préférence, le fil métallique présente une résistance à la rupture Rm, mesurée selon la norme ASTM D2969-04, au moins égale à 600 MPa, de préférence au moins égale à 1000 MPa.
De préférence, le procédé de fabrication du fil métallique comprend, à l’issue de l’étape de réduction du diamètre du fil machine, une étape de traitement thermique.
De préférence, le procédé de fabrication du fil métallique comprend en outre une étape de formation, à la surface du fil de diamètre dl d’un revêtement métallique choisi dans le groupe formé par le cuivre, le zinc, le nickel, le cobalt, l’étain, le fer, l’aluminium, le manganèse, un alliage de deux de ces métaux et un alliage de trois de ces métaux, préférentiellement choisi dans le groupe formé par un alliage de cuivre et de zinc, un alliage de cuivre et d’étain, et un alliage ternaire formé par le cuivre, le zinc, et un métal choisi parmi le nickel, le cobalt, l’étain et le fer.
De préférence, l’acier à la base du fil métallique présente, en % en poids d’acier, la composition suivante :
• Carbone ■ de 0,1% à 1,1%,
• Manganèse : de 0% à 0,6%,
• Silicium ■ de 0% à 1%,
• Chrome ■ de 0% à 1%,
• Azote ■ de 70 ppm à 120 ppm,
• les teneurs en éléments Cu, Mo, Ni, Sn, Al, P et S étant chacune inférieures à 1%, le reste de la composition de l’acier étant le fer et les impuretés inévitables. De préférence, l’acier à la base du fil métallique présente, en % en poids d’acier, la composition suivante :
• Carbone : de 0,7% à 0,75%,
• Silicium ■ de 0,1% à 0,3%,
• Manganèse : de 0,4% à 0,6%,
• Azote ■ de 70 ppm à 120 ppm,
• Les teneurs en éléments S, P, Mo, Al étant chacune inférieures à 0,02%, les teneurs en Ni, Cr, Cu étant chacune inférieures à 0, 1%, le reste de la composition de l’acier étant le fer et les impuretés inévitables.
De préférence, l’acier à la base du fil métallique comprend au moins 80 ppm d’azote.
De préférence, le procédé de fabrication du fil métallique comprend en outre une étape de tréfilage du fil métallique du diamètre dl vers un diamètre d2.
De préférence, le diamètre d2 va de 0,06 à 0,4 mm.
L’invention concerne également une tringle de renforcement pour bandage à destination de véhicules comprenant un fil métallique selon l’invention.
L’invention concerne également un câble pour le renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pour véhicules, les chenilles et les bandes transporteuses comprenant un assemblage de fils métalliques selon l’invention.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un fil métallique à base d’acier pour le renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pour véhicules, les chenilles et les bandes transporteuses comprenant au moins ■
• une étape de fabrication d’un fil dit « fil machine » d’un diamètre d allant de 4,5 à 6,5 mm à partir d’une charge comprenant au moins 70% en poids d’acier recyclé comprenant une opération de fabrication de l’acier dans un four électrique
• une étape de réduction du diamètre du fil machine d’un diamètre d vers un diamètre dl.
L’invention concerne également l’utilisation du fil métallique selon l’invention dans un article de caoutchouc choisi parmi les bandages pneumatiques, les bandages non pneumatiques, les chenilles et les bandes transporteuses. 3.1 Définitions
Les composés mentionnés dans la description peuvent être d'origine fossile ou biosourcés. Dans ce dernier cas, ils peuvent être, partiellement ou totalement, issus de la biomasse ou obtenus à partir de matières premières renouvelables issues de la biomasse. Sont concernés notamment les polymères, les plastifiants, les charges, etc.
Dans la présente invention, sauf indication expresse différente, tous les pourcentages (%) indiqués sont des pourcentages (%) en masse.
D'autre part, tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "entre a et b" représente le domaine de valeurs allant de plus de a à moins de b (c’est-à-dire bornes a et b exclues) tandis que tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "de a à b" signifie le domaine de valeurs allant de a jusqu'à b (c’est-à-dire incluant les bornes strictes a et b).
4 Fil métallique
Le fil métallique selon l’invention est un fil métallique à base d’acier pour le renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pour véhicules, que ces bandages soient pneumatiques ou non-pneumatiques, les chenilles et les bandes transporteuses obtenu par un procédé comprenant au moins ■
• une étape de fabrication d’un fil en acier dit « fil machine » d’un diamètre d allant de 4,5 à 6,5 mm à partir d’une charge comprenant au moins 70% en poids d’acier recyclé, l’acier du fil machine présentant une teneur en azote au moins égale à 70 ppm ;
• une étape de réduction du diamètre du fil machine d’un diamètre d vers un diamètre dl.
Par bandage non-pneumatique, on entend un bandage dont la forme est maintenue par un moyen autre qu’un gaz, par exemple de l’air, mis sous pression. Par exemple, un tel bandage non-pneumatique peut être maintenu en forme à l’aide de haubans semi-rigides.
Par « fil métallique », on entend un objet présentant une très grande longueur par rapport à sa section, cette section étant observée selon un plan perpendiculaire à la plus grande longueur du fil. La section du fil métallique peut être de forme circulaire, ovale ou polygonale, par exemple carrée ou rectangulaire, les angles pouvant, dans le cas d’une forme polygonale, être arrondis. La forme de la section du fil est conférée lors des étapes de réduction de diamètre du fil par les moyens de réduction de diamètre, ces moyens étant, par exemple, des filières ou des dispositifs de laminage. De préférence, la section du fil métallique est de forme circulaire, ovale ou rectangulaire. Par « diamètre du fil », on entend la plus grande longueur de la section du fil. Le fil métallique est à base d’acier, acier étant entendu comme un matériau qui contient en masse plus de fer qu’aucun autre élément, comprenant généralement moins de 2% en masse de carbone ainsi que d’autres éléments, conformément à la norme NF EN 10020.
4.1 Étape de fabrication d’un fil machine
L’acier à la base du fil métallique selon l’invention est obtenu par un procédé comprenant au moins une étape de fabrication d’un fil dit « fil machine » d’un diamètre d allant de 4,5 à 6,5 mm à partir d’une charge comprenant au moins 70% en poids d’acier recyclé.
Cet acier est élaboré par la filière dite « filière électrique » mettant en œuvre un four électrique. Cette filière est bien connue de l’homme du métier et décrite par exemple dans l’article « La fabrication et la dénomination des aciers » des Techniques de l’ingénieur, TBA1040. L’acier à la base du fil métallique selon l’invention comprend au moins 70% en poids d’acier recyclé, et préférentiellement au moins 80% en poids d’acier recyclé. Cet acier, de part son procédé de production, comprend une teneur élevée en azote, préférentiellement allant de 70 ppm à 120 ppm et de manière plus préférée allant de 80 ppm à 120 ppm.
Une telle teneur en azote ne destine pas, de manière générale, un acier à être utilisé pour le renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pneumatiques, les bandages non-pneumatiques, les chenilles et les bandes transporteuses. Or il a été découvert par la demanderesse que l’association d’une fabrication de l’acier dans un four électrique associé à une sélection des ferrailles utilisées pour ladite fabrication permettait d’obtenir un acier utilisable pour le renforcement des articles de caoutchouc sus-nommés.
Ainsi, préférentiellement, les ferrailles utilisées sont choisies parmi les ferrailles dites « de chutes neuves à bas résiduels et non revêtues » conformément à la norme NF A 08-821, Tableau 2, à savoir parmi les catégories E2, E8, E8E, E6 et E653. En particuliers une sélection de ces ferrailles s’effectue pour n’utiliser que celles ne présentant que des très bas résiduels (Cu, Sn, Cr, Ni, Mo).
A l’issue de sa fabrication, l’acier est coulé puis mis en forme sous forme d’un fil communément désigné sous le terme « fil machine », comme décrit par exemple dans l’article « Tréfilage de l’acier » des Techniques de l’ingénieur, M 3 125, dont le diamètre va de 4,5 mm à 6,5 mm. Ce fil est ensuite stocké sous forme d’une botte. Selon un mode de réalisation préférentiel, l’acier à la base du fil métallique selon l’invention présente, en % en poids d’acier, la composition suivante ■
• Carbone ■ de 0,1% à 1,1%,
• Manganèse : de 0% à 0,6%,
• Silicium ■ de 0% à 1%,
• Chrome ■ de 0% à 1%,
• Azote ■ de 70 ppm à 120 ppm,
• les teneurs en éléments Cu, Mo, Ni, Sn Al, P et S étant chacune inférieures à 1%, le reste de la composition de l’acier étant le fer et les impuretés inévitables.
Selon un mode de réalisation plus préférentiel, l’acier à la base du fil métallique selon l’invention présente, en % en poids d’acier, la composition suivante ■
• Carbone : de 0,7% à 0,75%,
• Manganèse : de 0,4% à 0,6%,
• Silicium ■ de 0,1% à 0,3%,
• Azote ■ de 70 ppm à 120 ppm,
Les teneurs en éléments S, P, Mo, Al étant inférieure chacune à 0.02%, les teneurs en Ni, Cr, Cu étant chacune inférieures à 0, 1%, le reste de la composition de l’acier étant le fer et les impuretés inévitables.
4.2 Étape de réduction du diamètre du fil machine
Le fil métallique selon l’invention est obtenu par un procédé comprenant également une étape de réduction du diamètre du fil machine d’un diamètre d vers un diamètre dl.
Cette étape peut être réalisée selon toute méthode connue de l’homme du métier. Par exemple, cette étape peut être réalisée par laminage, en passant le fil métallique dans une succession de paires de rouleaux, chaque paire étant orientée avec un angle par rapport à la paire précédente, par exemple orientée perpendiculairement.
Dans un arrangement préféré, cette étape est réalisée par tréfilage. Cette étape de tréfilage, bien connue de l’homme du métier, est souvent désignée sous le terme de « tréfilage en milieu sec ». Elle comprend typiquement plusieurs opérations.
Dans une première opération de déroulage, on déroule le fil machine de diamètre initial d allant de 4,5 à 6,5 mm. Ce fil présente une contrainte maximale à la rupture comprise entre 300 MPa et 1300 MPa. Le fil est stocké sous forme d'une botte sur un dévidoir à partir duquel on le déroule grâce à des moyens automatisés de déroulage, par exemple un dérouleur. La micro-structure de l'acier est alors ferrito-perlitique.
Puis, dans une opération de décalaminage du fil machine, on fait passer le fil machine dans plusieurs poulies successives et dans deux dresseurs formés chacun par plusieurs poulies, les poulies de chaque dresseur étant montées en rotation selon un axe perpendiculaire à l'axe de rotation des poulies de l'autre dresseur. On enlève ainsi une couche d'oxydes de fer, appelé calamine, présente en surface du fil machine.
Ensuite, on revêt le fil machine d'une couche d'un lubrifiant de tréfilage avant de commencer le tréfilage proprement dit, dans n opérations de tréfilage, n pouvant par exemple varier de 6 à 12.
Les n opérations de tréfilage ont pour but de réduire le diamètre du fil métallique du diamètre initial dvers un diamètre intermédiaire dl.
Les opérations de tréfilage forment préférentiellement une série ininterrompue d'opérations de tréfilage en milieu sec du fil métallique du diamètre initial d vers le diamètre intermédiaire dl. Chaque opération de tréfilage est une opération de tréfilage en milieu sec dans laquelle on fait passer le fil métallique dans une filière de diamètre inférieur au diamètre du fil en amont de la filière. Ainsi, le fil métallique présente un diamètre en aval de la filière inférieur au diamètre en amont de la filière. Le diamètre de chaque filière est inférieur au diamètre de la filière située en amont. Pour la série ininterrompue d'étapes de tréfilage en milieu sec du fil du diamètre initial dvers le diamètre intermédiaire dl, on définit la déformation rationnelle e=2.In(d/dl).
Des moyens de traction du fil métallique positionnés en aval de chaque filière, par exemple des cabestans, permettent d'exercer une force de traction suffisante pour tirer le fil à travers chaque filière. On utilise un lubrifiant de tréfilage sous forme pulvérulente.
Par tréfilage en milieu sec, on comprend que le fil métallique circule dans un milieu gazeux, par exemple l'air ambiant. Le lubrifiant de tréfilage lors d'un tréfilage en milieu sec est sous forme pulvérulente. Lors d'un tréfilage en milieu sec, les moyens de tractions, par exemple des cabestans, sont exposés au milieu gazeux, par exemple l'air ambiant.
Par série ininterrompue d'étapes de tréfilage, on entend que le fil métallique effectue une série de passages successifs dans plusieurs filières de tréfilage, chaque passage dans chaque filière de tréfilage correspondant à une opération de tréfilage. Mis à part le dernier passage, chaque passage dans une filière est suivi directement par un passage dans la filière qui lui succède. Dans une série ininterrompue d'opérations de tréfilage, le fil métallique ne subit aucune autre opération, en particulier de traitement thermique ou de revêtement, qu'une opération de tréfilage. En d'autres termes, le fil métallique ne subit aucune opération, en particulier de traitement thermique ou de revêtement, entre deux opérations directement successives de tréfilage de la série.
À l’issue des opérations de tréfilage en milieu sec, le fil métallique peut éventuellement être enroulé sur une bobine lors d’une opération d’enroulage, préalablement à son traitement éventuel dans des étapes ultérieures de réduction de diamètre, de revêtement ou de mise en forme. La mise en bobine peut être utilisée pour stocker le fil métallique de manière temporaire, ou pour le transporter vers le lieu de mise en œuvre des autres étapes. Le fil métallique est alors ensuite déroulé dans une opération de déroulage avant d’alimenter l’étape suivante éventuelle du procédé.
De préférence, le diamètre dl va de 0,6 à 3,0 mm. Par « diamètre », on entend la plus grande dimension dans laquelle s’inscrit la section du fil métallique, soit le diamètre du cercle circonscrit à la section du fil.
Le fil métallique de diamètre dl présente préférentiellement une résistance à la rupture Rm, mesurée selon la norme ASTM 02969’04, au moins égale à 600 MPa, de préférence au moins égal à 1000 MPa. De manière préférée, le fil métallique de diamètre dl présente une résistance à la rupture Rm au moins égale à 1500 MPa pour un diamètre de 2,0 mm.
De manière préférée, le fil métallique de diamètre dl présente une valeur de torsion d’au moins 20 tours, cette valeur étant mesurée selon la norme ASTM E 558’83.
De manière préférée, le fil métallique est soumis, suite à l’étape de réduction à un diamètre dl, à une opération de traitement thermique. Si une opération d’enroulage est mise en œuvre à l’issue des opérations de tréfilage en milieu sec, l’opération de traitement thermique est mise en œuvre après l’opération de déroulage.
L’opération de traitement thermique permet de modifier la structure métallographique du fil métallique de diamètre dl pour régénérer la structure du fil machine. L'homme du métier sait comment trouver les différents paramètres de cette étape, par exemple dans « Les principes de base du traitement thermique des aciers », André Constant et Guy Henry, ISBN 2-85330-083- 8.
Lors de cette opération, on chauffe le fil métallique de diamètre dl à une température supérieure ou égale à la température d'austénitisation de l'acier, ici supérieure ou égale à 850°C. En fonction de la composition chimique de l'acier, l'homme du métier sait, notamment comme décrit dans « Précis de métallurgie », ISBN 2-12-260121-6, quelle température d'austénitisation il doit atteindre. Ainsi, si l'austénitisation n'est pas suffisante, il subsiste des bandes non recristallisées et l'austénite obtenue n'est pas homogène ce qui nuit au tréfilage ultérieur. Si l'austénitisation est trop importante, la micro-structure obtenue lors refroidissement ultérieur est une ferrite aciculaire (dite de Windmanstâtten) pour un acier bas carbone ou bainte-martensitique pour un acier haut carbone et pas une structure ferrito- perlitique.
On refroidit ensuite le fil métallique de diamètre dl de façon à conférer à l'acier une microstructure perlitique ou ferrito-perlitique. De façon bien connue de l'homme du métier, on refroidit le fil métallique pour éviter la formation de microstructure autre qu'une structure perlitique, ferritique ou ferrito-perlitique. Une vitesse de refroidissement trop rapide conduirait à une micro-structure ferritique aciculaire, bainitique ou martensitique. L'homme du métier sait déterminer la vitesse de refroidissement en fonction de la composition chimique de l'acier, de la température d'austénitisation au moyen d'abaques disponibles notamment dans le document "Atlas des courbes de transformation des aciers de fabrication française", IRDIS, 1974.
4.3 Étape de formation d’un revêtement métallique
De manière préférée, le procédé d’obtention du fil métallique selon l’invention comprend en outre une étape de formation, à la surface du fil de diamètre dl d’un revêtement métallique choisi dans le groupe formé par le cuivre, le zinc, le nickel, le cobalt, l’étain, le fer, l’aluminium, le manganèse, un alliage de deux de ces métaux et un alliage de trois de ces métaux, préférentiellement choisi dans le groupe formé par un alliage de cuivre et de zinc, un alliage de cuivre et d’étain, et un alliage ternaire formé par le cuivre, le zinc, et un métal choisi parmi le nickel, le cobalt, l’étain et le fer.
Cette étape est bien connue de l’homme du métier et peut être réalisée, par exemple et lorsque le revêtement est du laiton, par des opérations successives de dépôt du cuivre, de dépôt du zinc, puis de diffusion thermique. 4.4 Étape de tréfilage du fil métallique vers un diamètre d2
De manière préférée, le procédé d’obtention du fil métallique selon l’invention comprend en outre une étape de tréfilage du fil métallique du diamètre dl vers un diamètre d2. Cette étape, bien connue de l’homme du métier, est souvent désignée sous le terme de « tréfilage en milieu humide ».
L’étape de tréfilage du fil métallique vers un diamètre d2 est réalisée en faisant passer le fil métallique successivement dans plusieurs filières dont les diamètres de passage sont progressivement décroissants. Le nombre de filières, et par conséquent le nombre de diminutions successives de diamètre, est fonction de la ductilité du fil métallique et du diamètre d2 à atteindre. Plus celui-ci sera faible, plus le nombre de filières pourra être important.
Des moyens de traction du fil positionnés en aval de chaque filière, par exemple des cabestans à étages, permettent d'exercer une force de traction suffisante pour tirer le fil à travers chaque filière. Les moyens de tractions et les filières sont immergés dans un bain liquide de lubrifiant de tréfilage, par exemple tel que décrit dans le document WO 2008/113481.
Par tréfilage en milieu humide, on comprend que le fil métallique circule dans un milieu liquide, par exemple une solution aqueuse. De préférence, le lubrifiant de tréfilage lors d'un tréfilage en milieu humide est sous forme liquide. Lors d'un tréfilage en milieu humide, les moyens de tractions, par exemple des cabestans, sont exposés au milieu liquide, par exemple la solution aqueuse.
Ainsi, le fil métallique subit de 1 à m opérations de tréfilage (m variant par exemple de 8 à 23) permettant de réduire le diamètre du fil métallique d’un diamètre dl vers le diamètre d2 ainsi que d'augmenter la contrainte maximale à rupture du fil métallique.
De préférence, le diamètre d2 va de 0,06 à 0,4 mm.
De manière préférée, les opérations de tréfilage forment une série ininterrompue d’opérations de tréfilage en milieu humide du fil du diamètre dl vers le diamètre d2. Chaque opération 1 à m est une opération de tréfilage en milieu humide dans laquelle on fait passer le fil métallique dans une filière de diamètre inférieur au diamètre du fil en amont de la filière. Ainsi, le fil métallique présente un diamètre en aval de la filière inférieur au diamètre en amont de la filière. Le diamètre de chaque filière avale est inférieur au diamètre de la filière située en amont. Pour la série ininterrompue d’opérations de tréfilage en milieu humide du fil métallique du diamètre dl vers le diamètre d2, on définit la déformation rationnelle e'=2.In(dl/d2).
Par série ininterrompue d’opérations de tréfilage, on entend que le fil métallique effectue une série de passages successifs dans plusieurs filières de tréfilage, chaque passage dans chaque filière de tréfilage correspondant à une opération de tréfilage. Mis à part le dernier passage, chaque passage dans une filière est suivi directement par un passage dans la filière qui lui succède. Dans une série ininterrompue d’opérations de tréfilage, le fil métallique ne subit aucune opération, en particulier de traitement thermique ou de revêtement, autre qu'une opération de tréfilage. En d'autres termes, le fil métallique ne subit aucune opération, en particulier de traitement thermique ou de revêtement, entre deux opérations directement successives de tréfilage de la série.
L’invention concerne également un procédé comprenant les étapes d’obtention d’un fil métallique décrites dans la présente.
5 Mise en forme du fil selon l’invention
Un bandage pneumatique comprend en général un sommet comprenant une armature de sommet surmontée d'une bande de roulement, deux flancs prolongeant le sommet radialement vers l'intérieur, deux bourrelets radialement intérieurs aux flancs et comportant chacun une structure annulaire de renfort ainsi qu’une nappe de carcasse ancrée dans les bourrelets, s’étendant à travers les flancs et le sommet. La structure annulaire de renfort comprend une tringle sensiblement de révolution autour d’un axe. L’armature de sommet, la tringle et la nappe de carcasse peuvent contenir des renforts en acier comprenant un fil métallique selon l’invention.
Ainsi, le fil selon l’invention est destiné au renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pneumatiques, les bandages non pneumatiques, les chenilles et les bandes transporteuses. Pour ces usages, un tel fil peut être utilisé en tant que tel, ou sous forme d’un assemblage de plusieurs fils. L’assemblage peut être réalisé par toute méthode connue de l’homme du métier telle que câblage, retordage, enroulement ou autre.
5.1 Tringle
Le fil métallique selon l’invention peut être mis en forme sous forme de tringle. L’invention concerne donc également une tringle de renforcement pour bandage à destination de véhicules comprenant un fil métallique selon l’invention de diamètre dl. La tringle peut être tout type de tringle utilisée dans les bandages à destination de véhicules, par exemple une tringle dite tressée, une tringle de type paquet ou une tringle fil rectangulaire conique.
Une tringle paquet est une tringle comprenant plusieurs enroulements d’au moins un fil métallique de diamètre dl, éventuellement revêtu d’un revêtement métallique, par exemple galvanisé, agencés axialement les uns à côté des autres sur plusieurs couches radialement superposées les unes sur les autres. Le fil métallique de diamètre dl peut être de section ronde, carré ou rectangulaire.
Une tringle tressée est une tringle comprenant plusieurs enroulements d’au moins un fil métallique de diamètre dl, éventuellement revêtu d’un revêtement métallique, par exemple galvanisé, le fil étant enroulé hélicoïdalement autour d’un fil central, dit fil d’âme sur une ou plusieurs couches.
Une tringle fil rectangulaire conique, dont un exemple est illustré [Fig.1], est une structure de révolution annulaire dont l’axe de révolution coïncide avec celui du bandage pour véhicules, comprenant plusieurs enroulements d’au moins un fil métallique de section rectangulaire (1), par exemple de section 2 mm par 1,3 mm, éventuellement revêtu d’un revêtement métallique, par exemple galvanisé, ces enroulements étant agencés côte à côte selon une direction (2) formant un angle faible par rapport à la direction axiale (3), par exemple 6 enroulements agencés côte à côte selon une direction formant un angle de 15° avec la direction axiale, la grande longueur du fil métallique de section rectangulaire étant alignée avec cette direction, sur plusieurs couches radialement superposées les unes sur les autres, par exemple 6 couches (tringle 6x6), ou par exemple 8 enroulements agencés côte à côte selon une direction formant un angle de 15° avec la direction axiale, la grande longueur du fil métallique de section rectangulaire étant alignée avec cette direction, sur plusieurs couches radialement superposées les unes sur les autres, par exemple 5 couches (tringle 8x5). Une telle tringle est obtenue en enroulant le fil sur une forme permettant de donner une forme conique à la tringle.
5.2 Câbles de renforcement
Le fil métallique selon l’invention peut être mis en forme sous forme d’un assemblage de fils métalliques sous forme de câbles utilisés pour le renforcement des articles de caoutchouc, par exemple dans les armatures de sommet ou les nappes carcasse de bandages pour véhicules. Parmi ces assemblages, on peut citer des assemblages classiquement utilisés de fils de diamètre d2, tels que les assemblages dits « 2.30 » consistant en l’assemblage par enroulement hélicoïdal de deux fils de 30 centièmes de diamètre ou dits « 9.28 » » consistant en un câble comprenant une première couche de 2 fils enroulés hélicoïdalement l’un autour de l’autre, et une couche de 7 fils enroulés hélicoïdalement autour de la première couche avec des fils de diamètre 0.28mm ou dits « 19.18 » consistant en un câble comprenant un fil d’âme, une première couche de 6 fils de diamètre 0, 18 mm enroulés hélicoïdalement autour du fil d’âme et une couche de 12 fils de diamètre 0, 18 mm enroulés hélicoïdalement autour de la première couche ou dits « 6.35 Elastique » consistant en un câble comprenant trois torons, un toron étant constitué de 2 fils 0.35 enroulés hélicoïdalement l’un autour de l’autre, les trois torons étant également enroulés hélicoïdalement de manière à former le câble.
6 Utilisation du fil métallique
L’invention concerne également l’utilisation du fil métallique selon l’invention dans un article de caoutchouc choisi parmi les bandages pneumatiques, les bandages non pneumatiques, les chenilles et les bandes transporteuses
7 Exemple
7.1 Fils testés
On fabrique des fils machine de diamètre 5,5 mm à partir de coulées issues d’un four électrique. Pour le fil machine « Témoin », la charge de l’étape de fabrication comprend 37% poids de ferrailles recyclées.
Pour le fil « Fort Taux de Matière Durable (TMD) », la charge de l’étape de fabrication comprend 85% poids de ferrailles recyclées.
Les aciers obtenus ont les compositions suivantes (en % poids) ■
[Tableau 1]
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000017_0001
On produit à partir de ces fils machine des fils métalliques de diamètre 2,00 mm et 1,30 mm.
Le fil de diamètre 2,00 mm est obtenu par tréfilage en milieu sec d’un fil machine de diamètre 5,5 mm au moyen de 8 filières successives permettant une réduction progressive du diamètre du fil.
Le fil de diamètre 1,30 mm est obtenu par tréfilage en milieu sec d’un fil machine de diamètre 5,5 mm au moyen de 12 filières successives permettant une réduction progressive du diamètre du fil.
7.2 Méthodes de mesure
Pour chacun de ces fils, on mesure la résistance mécanique Rm, son allongement à rupture At, et la résistance à la torsion exprimée en nombre de tours avant rupture. Ces mesures sont réalisées conformément à la norme ASTM D4975-14. Elles sont réalisées sur un échantillon non vieilli ainsi que sur un échantillon vieilli à 150°C pendant 60 min conformément aux indications présentées dans la norme.
Les résultats sont présentés en base 100 sur la base du témoin non vieilli. Une valeur supérieure à 100 signifiant une valeur supérieure à celle du témoin non vieilli.
On réalise également un test de flexion rotative réalisé en atmosphère sèche. Ce test permet de mesurer la contrainte maximale d'endurance en flexion rotative en milieu sec (crD) de chaque fil testé.
Le test de flexion rotative ("Hunter fatigue test") est un test de fatigue connu ; il a été décrit dans le brevet US-A-2 435 772 et utilisé par exemple dans la demande de brevet EP-A-220 766 pour tester la résistance en fatigue-corrosion de fils métalliques destinés au renforcement d'enveloppes de pneumatiques.
Le principe du test est le suivant ■ un échantillon du fil à tester, de longueur déterminée, est maintenu à chacune de ses deux extrémités par deux mors parallèles. Dans l'un des mors, le fil peut tourner librement alors qu'il reste fixe dans le second mors qui est, lui, motorisé. La mise en flexion du fil permet de lui appliquer une contrainte de flexion donnée o dont l'intensité varie avec le rayon de courbure imposé, fonction lui-même de la longueur utile d'échantillon (par exemple de 70 à 250 mm) et de la distance entre les deux mors (par exemple de 30 à 115 mm).
Pour tester l'endurance du fil ainsi précontraint, on lui fait alors subir, en actionnant le mors motorisé, un grand nombre de cycles de rotation autour de son propre axe, de manière à solliciter chaque point de la circonférence de sa section transversale alternativement en extension et en compression (+ o - o).
En pratique, le test est conduit de la manière suivante ■ on choisit une première contrainte o et on lance le test de fatigue pour un nombre maximal de 10B cycles, à raison de 3000 rotations par minute. Selon le résultat obtenu - i.e. rupture ou non-rupture du câble au bout de ces 10B cycles maximum - on applique une nouvelle contrainte o (inférieure ou supérieure à la précédente, respectivement) sur une nouvelle éprouvette, en faisant varier cette contrainte o selon la méthode dite de l'escalier (Dixon & Mood Journal of the American statistical association, 43, 1948, 109-126). On effectue ainsi 17 itérations au total, le traitement statistique des essais défini par cette méthode de l'escalier conduit à la détermination d'une limite d'endurance - notée Od ■ qui correspond à une probabilité de rupture du fil de 50% au bout des 10B cycles de fatigue.
On utilise pour ce test une machine de flexion rotative de la société Bekaert, modèle type RBT équipé d'un détecteur électrique de casse. On entend ici par rupture du câble la rupture d'au moins un fil constitutif du câble.
La formule permettant de calculer la contrainte o est la suivante ■ o — 1,198 E (p / C
E étant le module d'Young du matériau (en MPa), cp étant le diamètre du fil cassé (en mm), et C étant la distance (en mm) entre les deux mors (C = Lo/2,19 avec Lo: longueur utile de l'échantillon).
Les résultats sont exprimés selon le ratio oD/Rm, avec Rm la résistance à rupture déterminée comme précisé ci-dessus. Ces valeurs sont déterminées à la fois sur fil non vieilli et sur fil vieilli à 150°C pendant 60 min comme précisé dans la norme ASTM D4975-14. Ces valeurs sont exprimées en MPa/MPa.
7.3 Résultats des tests sur fil
Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous.
[Tableau 2]
Figure imgf000019_0001
On observe que le fil métallique selon l’invention présente des caractéristiques tout à fait similaires au fil témoin, avec en particulier des valeurs de torsion comparables.
7.4 Tests d’utilisation comme élément de renforcement d’un pneumatique
On fabrique un pneumatique à destination de poids lourds, qui diffère d’un pneumatique commercial de type 315/70R22.5 Michelin X Multi Energy Z commercialisé en 2019 uniquement en ce que les tringles et les câbles de la nappe carcasse sont confectionnées à partir d’un fil de composition « fort TMD » présenté ci-dessus.
Le pneumatique comprenant les fils de composition « fort TMD », désigné comme « pneumatique fort TMD » est comparé avec un pneumatique commercial de type 315/70R22.5 Michelin X Multi Energy Z commercialisé en 2019, désigné comme « pneumatique témoin ».
Dans un premier essai, un pneumatique « fort TMD » et un pneumatique « Témoin » sont montés sur des jantes adaptées et sont gonflés à la même pression (avec une surpression de 20 % par rapport à la pression nominale) avec de l'air saturé en humidité. On fait ensuite rouler ces pneumatiques sur un volant, sous une charge élevée (20 % de surcharge par rapport à la charge nominale) et à une vitesse de 40 km/h, pendant 150 000 kilomètres. A la fin du roulage, on extrait les câbles de la carcasse du pneumatique, par décorticage, et on mesure la force rupture résiduelle sur les câbles ainsi fatigués. On calcule finalement la déchéance de force-rupture après fatigue, en comparant la force rupture résiduelle à la force rupture initiale. Cette déchéance AFm est due à la fatigue et à l'usure (diminution de section) des fils provoquées par l'action conjointe des diverses sollicitations mécaniques, en particulier par l'intense travail des forces de contact entre les fils, et de l'eau provenant de l'air de gonflage, en d'autres termes à la fatigue dite « fretting- corrosion » subie par le câble à l'intérieur du pneumatique, lors du roulage. La déchéance mesurée est identique entre les deux variantes d’acier.
Dans un deuxième essai, on fait rouler un pneumatique « fort TMD » et un pneumatique « Témoin », tous deux rabotés, l’un sur l’autre avec une pression régulée de 8.5 bars, avec un gonflage à l’azote et une charge de 7061 daN à une vitesse de 30km/h pendant 40000 kilomètres. A la fin du roulage, on extrait les tringles de chacun des pneumatiques, par décorticage, et on mesure la force rupture résiduelle sur une machine à 24 mors s’écartant radialement pour soumettre chacune des tringles à une extension circonférentielle. La force rupture mesurée était supérieure à 95 % de la force rupture de la tringle neuve équivalente pour les deux variantes d’acier.
Les câbles selon l’invention utilisés en pneumatique ne montrent donc pas de différence significative par rapport aux câbles de l’art antérieur en termes de performance, et en particulier d’endurance.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Fil métallique à base d’acier pour le renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pour véhicules, les chenilles et les bandes transporteuses dans lequel l’acier présente, en % en poids d’acier, la composition suivante ■
• Carbone ■ de 0,1% à 1,1%,
• Manganèse : de 0% à 0,6%,
• Silicium ■ de 0% à 1%,
• Chrome ■ de 0% à 1%,
• Azote ■ de 70 ppm à 120 ppm, les teneurs en éléments Cu, Mo, Ni, Sn, Al, P et S étant chacune inférieures à 1%, le reste de la composition de l’acier étant le fer et les impuretés inévitables, obtenu par un procédé comprenant au moins ■
• une étape de fabrication d’un fil en acier dit « fil machine » d’un diamètre d allant de 4,5 à 6,5 mm à partir d’une charge comprenant au moins 70% en poids d’acier recyclé, l’acier du fil machine présentant une teneur en azote au moins égale à 70 ppm ;
• une étape de réduction du diamètre du fil machine d’un diamètre d vers un diamètre dl.
[Revendication 2] Fil métallique selon la revendication précédente dans lequel l’étape de fabrication du fil machine comprend une opération de fabrication de l’acier dans un four électrique.
[Revendication 3] Fil métallique selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la charge recyclée alimentant l’étape de fabrication du fil machine est au moins une ferraille choisie dans les catégories E2, E8, E8E, E6 et E653 définies dans la norme NF A 08-821.
[Revendication 4] Fil métallique selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le diamètre dl va de 0,6 à 3,0 mm.
[Revendication 5] Fil métallique selon l’une quelconque des revendications précédentes présentant une valeur de torsion d’au moins 20 tours, cette valeur étant mesurée selon la norme ASTM E 558-83.
[Revendication 6] Fil métallique selon l’une quelconque des revendications précédentes obtenu par un procédé comprenant, à l’issue de l’étape de réduction du diamètre du fil machine, une étape de traitement thermique.
[Revendication 7] Fil métallique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel l’acier présente, en % en poids d’acier, la composition suivante ■
• Carbone : de 0,7% à 0,75%,
• Silicium ■ de 0,1% à 0,3%,
• Manganèse : de 0,4% à 0,6%,
• Azote ■ de 70 ppm à 120 ppm,
• Les teneurs en éléments S, P, Mo, Al étant chacune inférieures à 0,02%, les teneurs en Ni, Cr, Cu étant chacune inférieures à 0,1%, le reste de la composition de l’acier étant le fer et les impuretés inévitables.
[Revendication 8] Fil métallique selon l’une quelconque des revendications précédentes obtenu par un procédé comprenant en outre une étape de formation, à la surface du fil de diamètre dl d’un revêtement métallique choisi dans le groupe formé par le cuivre, le zinc, le nickel, le cobalt, l’étain, le fer, l’aluminium, le manganèse, un alliage de deux de ces métaux et un alliage de trois de ces métaux, préférentiellement choisi dans le groupe formé par un alliage de cuivre et de zinc, un alliage de cuivre et d’étain, et un alliage ternaire formé par le cuivre, le zinc, et un métal choisi parmi le nickel, le cobalt, l’étain et le fer.
[Revendication 9] Fil métallique selon l’une quelconque des revendications précédentes obtenu par un procédé comprenant en outre une étape de tréfilage du fil métallique du diamètre dl vers un diamètre d2.
[Revendication 10] Fil métallique selon la revendication précédente dans lequel le diamètre d2 va de 0,06 à 0,4 mm.
[Revendication 11] Tringle de renforcement pour bandage à destination de véhicules comprenant un fil métallique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
[Revendication 12] Câble pour le renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pour véhicules, les chenilles et les bandes transporteuses comprenant un assemblage de fils métalliques selon l’une quelconque des revendications 9 à 10.
[Revendication 13] Procédé de fabrication d’un fil métallique à base d’acier pour le renforcement d’articles de caoutchouc choisis parmi les bandages pneumatiques, les bandages non-pneumatiques, les chenilles et les bandes transporteuses selon l’une des revendications 1 à 10 comprenant au moins •
• une étape de fabrication d’un fil dit « fil machine » d’un diamètre d allant de 4,5 à 6,5 mm à partir d’une charge comprenant au moins 70% en poids d’acier recyclé comprenant une opération de fabrication de l’acier dans un four électrique
• une étape de réduction du diamètre du fil machine d’un diamètre d vers un diamètre dl.
[Revendication 14] Utilisation du fil métallique selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 dans un article de caoutchouc choisi parmi les bandages pneumatiques, les bandages non pneumatiques, les chenilles et les bandes transporteuses.
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