<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
A:C I E R>
La présente invention est relative aux aciers au manganèse à haute limite élastique, soudables et emboutissables,, et à leurs traitements thermiques
Dans la construction métallique allégée, et particulièrement celle du matériel de transport et des conduites forcées,on utilise fréquem- ment des aciers à haute limite élastique contenant du manganèse à des teneurs
EMI1.2
pouvant varier de 0518 à à
L'addition de manganèse dans ces proportions augmente en effet., la résistance mécanique de l'acier., permettant d'avoir une teneur en carbone relativement basse, et une aptitude au soudage et à l'emboutissage meilleu- re que ne serait celle d'un acier au carbone de même dureté,
Elle est plus économique que toute autre addition qui produirait les mêmes résultats mécaniques. @ Parmi ces aciers connus au manganèse,, les meilleursc'est-à-
EMI1.3
dire ceux dont la soudabilité et Inaptitude à 1,'embautissage sont les plus élevées,, décrits ici comme aciers 'A9 ont la composition moyenne suivante en poids, en plus du fer :
EMI1.4
Carbone 000000000000000 018 à 025 po Manganèse ooooomoo0buoa 1 à, 1,50 axa Silicium 00000000000<>00 0)115 à. 0,,25 oll# Pr 0000000000&0000' W3 Phosphore oomooooo00000 o,o30 S Oxygène oioiooioooooioo 0, 01% Azote 000000000000000000,,007 0,010µÉ
<Desc/Clms Page number 2>
En outre, ils contiennent :
EMI2.1
soit du molybdène à la teneur de 0,10 à 020 % soit du vanadium à la teneur de 0,05 à 0,la % mais non ces deux éléments simultanément.
EMI2.2
Les caractéristiques mécaniques de ces aciers lita" sont les sui- vantea
EMI2.3
Limite élastique Q" 0 ., ., e 36 à 44 kg/hvo2 Charge de rupture 000000 54 à 64 kg/m2- Allongement de rupture
EMI2.4
S étant la section de l'éprouvette.
Ces aciers A connus,bien que supérieurs aux aciers au carbone et aux aciers ordinaires au manganèse, ne présentent cependant pas uneap-
EMI2.5
titude à la soudure assez bonne pour permettre leur assemblage sans precau- tion; de même;, ils ont encore une aptitude à l'emboutissage insuffisante et, particulièrement, présentent de faibles caractéristiques en traverso Cette dernière propriété est due à la structure en bandes,, dite encore "structure fibreuse" ou feuilletée qui est connue comme caractéristique des aciers au manganèse., et d'ou résulte une différente sensible entre les caractéristiques mécaniques obtenues dans le sens de laminage et perpendi- culairement à celui-ci.
Cette anisotropie se manifeste, en particulier, pour la résilience, le pliage, l'allongement et 1-'emboutissage. Elle se trouve encore très accentuée dans les produits laminés toujours dans le même sens., comme les feuillards, platslarges-plats et les poutrelles, de même que les tôles de fortes épaisseurs,laminées à partir de lingots méplats.
La résilience "en travers Il, en particulier, ¯est environ la moi-
EMI2.6
tié de sa valeur "en lorngti.
L'invention a pour objet un acier au manganèse à soudabilité et aptitude à l'emboutissage fortement améliorées dont les caractéristiques en travers sont supérieures à celles des aciers connus "A" et dont les pro- priétés élevées subsistent même en produits de fortes épaisseurs,,
Cet acier est remarquable en ce qu'il comporte, avec de très faibles teneurs en carbone, soufre et oxygène., à la fois du molybdène du vanadium et du titane.
L'invention a également pour objet un procédé de traitement thermique destiné à conférer à cet acier des propriétés mécaniques élevées en même temps qu'une bonne aptitude à l'emboutissage profond.
L'invention a encore pour objet les applications industrielles diverses dudit acier et les objets et constructions obtenus en tout ou partie avec cet acier. '
D'autres caractéristiques résulteront de la description qui va suivre.
Au dessin annexé,, donné uniquement à titre d'exemple :
Fige 1 représente, en élévation;, un outil spécial pour l'essai de l'aptitude à l'emboutissage de tôles moyennes et fortes en acier suivant
EMI2.7
13invention; Figs. 2 et 3 sont des diagrammes comparatifs de traction simple, d'un acier suivant l'invention soumis à des traitements thermiques précisés plus loin.
La composition de l'acier "B" suivant l'invention est la suivan- te, en poids;, en %, en dehors du fer :
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
Carbone 000000000000000 O08 à o,1& % Msganèse 0000000000000 llO à 200 /o Silicium 00000000000000 0 10 à Oe3O %, Molybdène 0000000000000 op1D à 00 Vanadium a o 0 0 0 0 0 0 0 0 o c e 0902 à OelO Titane 0000000000000000 O90' à 0,lO $ Soufre 0000000000000000 "0$02.5 % Phosphore 0 0 " 0 0 0 0 " " 0 a " O 030 % Oxygène 000000000000000 L 0009 % Azote Oa000000POOo0o00avgO.&.O a 0O2.5%
EMI3.2
A l'intérieur de cette composition, deux nuances peuvent., en
EMI3.3
particuliery être signalées, savoir une nuance mi-dure "B 1" et une nuance dure "B 2" dont les compositions en-poids, en 9 en dehors du fer sont les suivantes e
EMI3.4
uance " -dure t'B 1't carbone 0908 à 015 % et de préférence 0,10 à 0,
14 % .manganèse 1,20 à ly60 % " lp35 a 155 % silicium Oel-0 à 020 % " 0:> 15% molybdène 0 10 à OjJ30 % \1 0, 20 % vanadium 0,02 k Opl5 % " 0 05 % titane 0,,01a010% Il 0, 02% soufre 0010 à 0,025$ " oe 010 % oxygène 0,004 à 0,008% 0 004 % phosphore Oj) 015 à 0030% Il 0., 015 % azote 0010 a 0.,025% " 0., 015 %' bzz carbone Oj)13 à 0,18 % et de préférence 0,l% à 0,16 % manganèse le65 à 1.,85 % Il 1,7Q à le80 % silicium 0.910 à 030 % 18 0:
> 15 % molybdène 00910 à O50 % lu Oe 20 % vanadium 0,02 à 0,la % Il Oy 05 % titane 0, 01 à 0,10 % '# o., 02 % soufre 0010 à 0.,02% Il 0,,010 % oxygène 0004 à 09008% " 0004 % phosphore 0,015 à OeO3Ol,, 0oà5 $ azote --05)010 à 0.,025% " o,015 µb
EMI3.5
Dans les aciers connus du type Ae le manganèse fixe le soufre qui forme avec 14ù0 et FeS présents dans 1,'a--ier des mélanges fondant aux bas- ses températures de 1ordre de 1000cOo Ces inclusions se trouvent dans le
EMI3.6
métal coulé sous forme de gouttelettes fines dispersées dans le lingots susceptibles de se rassembler en plus gros agrégats dans les parties du lin-
EMI3.7
got qui refroidissent plus lentement., Au laminage:, elles fondent a nouveau et s'apzatisgent en lamelles de faible épaisseur;> de l'odra du micron;
elles constituent alors de nombreux plans de discontinuité des couches d'acierg
EMI3.8
orientés parallèlement au sens du laminage}) d'où résulte la structure "feuil-
EMI3.9
qui réduit eoraidérablement les caractéristiques mécaniques dans la
<Desc/Clms Page number 4>
direction perpendiculaire à celle du laminage. Par exemple avec les aciers A, la résilience en travers est de 5 kgm/em2 contre 12 dans le sens du la- minage. Par ailleursle pliage à 1800 dans le sens du laminage peut être effectué autour d'un mandrin dont le diamètre est égal à l'épaisseur du produit laminé, alors que dans le sens perpendiculaire au laminage., le dia- mètre minimum de pliage est égal à trois fois l'épaisseur.
Au contraire, dans les aciers B suivant l'invention, le soufre est fixé par une partie du molybdène plutôt que par le manganèse, comme ce- la résulte de la différence des teneurs en soufre décelées par les méthodes classiques de dosage par combustion, d'une part -et par attaque par les acides avec dégagement d'H2S, d'autre part. Les dosages par-combustion don- nent;,en effet un chiffre sensiblement double de'celui donné par la méthode d'attaque acide, du fait que la combustion décompose tous'les sulfures,y compris celui de molybdène, alors que les acides n'agissent pas sur ce der- niero
Le sulfure de molybdène forme des inclusions ' beaucoup moins néfastes que celles en sulfure de manganèse.
En effet,, le sulfure-de molyb- dène a un point de fusion élevé et n'entre pas en solution solide avec l'o- xyde de manganèse. Ce sulfure se présente dans l'acier sous forme d'inclu- sions très finement réparties, solides aux températures de laminage et la structure n'est plus "feuilletée". Bien-entendu., il est important que la teneur en soufre soit faible dans l'acier, afin de laisser un excès de molyb- dène libre dont l'effet sera indiqué plus loin,,
Le vanadium se fixe sur le carbone et l'azote, en affinant ainsi le grain, ce qui augmente la résistance mécanique et élève la température du début de la surchauffage de 1000 environ, soit de 1.000 à 1.100 C envi- ron.
Le titane désoxyde réduit MnO, et se fixe sur l'azote et sur le carbone en formant des composés peu solubles ou insolubles dans l'austé- nite. L'intérêt de fixer l'oxygène par le titane est de réduire la quanti- té d'inclusions néfastes et d'éviter la formation de composés complexes à base de MnO.
L'action dés trois éléments cités se complète donc heureuse- ment en éliminant les effets nocifs du soufre et de l'oxygène et, en même temps;, rend utiles les faibles teneurs en azote et en carbone., Ces éléments sont transformés en composés insolubles dans l'austénite., ce qui réduit considérablement l'effet de trempe lors des opérations de soudage.
Le molybdène et le vanadium diminuent également la grosseur des agrégats de carbures ou perliteo Les dimensions moyennes de ces der- niers passent de 10 à 20 microns pour les aciers au manganèse seul, à 3 à 6 microns pour les aciers connus "A" au manganèse-vanadium ou au manganè- se-molybdène. Quant aux aciers "B" suivant l'invention, leurs carbures sont tellement fins qu'ils ne sont pratiquement pas résolubles au micros- cope et se présentent comme des points d'un diamètre de 1 à 3 microns.
Ce dernier résultat contribue aussi à atténuer la structure en bandes, y caractéristique des aciers au manganèse, et la demanderesse a trouvé par ses expériences que cette action favorable était produite par l'addition conjuguée du molybdène et du vanadium, avec une efficacité beaucoup plus grande que ne pourrait le faire un seul de ces éléments, mê- me introduit en teneurs plus importantes, En d'autres termes l'action de chacun de ces éléments tend assez rapidement vers un maximum et, contrai- rement à toute attente, l'effet obtenu par l'un des éléments n'enlève rien à l'activité de l'autre qu'elle renforce au contraire.
Le molybdène et le vanadium ont aussi pour effet d'élever la limite élastique de l'acier, et leur action est notablement renforcée par celle du titaneemployé à titre d'agent de calmage dans les teneurs in- diquées ci-dessus.
Comme autre résultat, l'addition simultanée de ces trois élé- ments permet d'abaisser la teneur en carbone aux valeurs très basses compri-
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
ses entre OpO8 et 018% et, par suite, de rendre les'aciers suivant l'in- vention particulièrement aptes au soudage et à l'emboutissage La résilience Charpy en travers des aciers A sur'tôles est
EMI5.2
de 6 à 8 kgm/em2 et, sur plats de 5 à 7 kgm/cm2;
pour le groupe B 1 elle est de 9 à 12 pour les tôles.. de. 9 à 11 pour des plats de 280 x ..2y'Ï mm corroyés deux fois en travers, quarante six fois en long (en partant de lingots de 4,5 tonnes et ayant une section moyenne de 600 x 600 mm). pour les aciers B, la résilience en travers demeure voisine de
EMI5.3
celle en long jusqu'aux températures de -6000.,"la diminution de résilience n'étant que de 30 té à -6000.
Au contraire, la résilience en travers du groupe A est plus sensible à Inaction des basses températures et diminue de 50% vers -30 0.
Inaptitude au soudage des aciers suivant l'invention peut être vérifiée par les diverses méthodes d'essais de soudure actuellement connues et, notammenten ce qui concerne la soudure par points,par les méthodes connues sous le nom d'essais de déboutonnage au burin et d'essais de tor- sion des points soudés,, La soudure et les essais sont effectués- dans des conditions déterminées à l'avance,,
La rupture par torsion des points soudés survient pour un an- gle de rupture supérieur à 26 dans le cas des aciers "B 1" alors que cet angle est compris entre 18 et 22 pour les aciers connus "A". Pour..l'acier
EMI5.4
"B 211, dont la dureté est beaucoup plus grande que celle de l'acier "A," et même de l'acier 'tB 1" l'angle de rupture est encore supérieur à 22 .
La supériorité des aciers B suivant l'invention est encore-, mise en évidence par l'essai de soudabilité dénommé couramment essai Kinzel. Cet essai consiste à effectuer,, à diverses températures un pliage statique, par exemple à la presse., sur une éprouvette portant un dépôt de soudure sous forme d'un cordon longitudinal, effectué suivant des rè-
EMI5.5
gles déterminées et., d'autre part9 une entaille transversale à fond vif de rayon de Oy25 mm.o On mesure la contraction latérale à la base de l'en- taille après rupture complète de l'échantillon et cette contraction mesurée en % de la largeur initiale est prise comme critère de soudabilité et de capacité de l'acier à résister aux efforts multiaxés tels que ceux qui se produisent au cours de l'essai,,
La température dite de transition est cel- le en dessous de laquelle la contraction latérale devient inférieure à 1% dénotant de la part de l'acier A des qualités insuffisantes.
EMI5.6
Dans le cas des aciers connus "Alle cette température de transi- tion est généralement comprise entre 0 et -20 C, alors que, pour les aciers "B" suivant l'invention, elle descend à -40 C, ou même à une température encore plus basseo Ceci dénote., en outre., que l'acier suivant l'invention peut être utilisé à la construction d'ouvrages ou d'appareils devant subir en service des températures très basses.
L'aptitude remarquable à l'emboutissage des aciers suivant l'in- vention peut, de même, se vérifier par les différents essais connus et, en outre., par un essai mis au point par la demanderesse en ce qui concerne les tôles moyennes et fortes pour'lesquelles il n'existait pas d'essai standard jusqu'à présent,,
Cet essai consiste à former un godet par emboutissage d'un flan.,
EMI5.7
à l'aide d'un poinçon'(Figo 1) faiblement conique., dans une matrice de forme déterminée. Le rayon minimum r de l'arrondi qui raccorde la partie plane 1 et la partie tronconique 2 du poinçon, rayon au-dessous duquel il se
EMI5.8
produit des criques ou fissures lors de 1-'embo-utisgage, est un critère de l'aptitude à 1-'embou*tissage de l'acier.
Pour une épaisseur de flan de 4 mm, la demanderesse a trouvé que, dans les aciers A, B 2 et B le,-,les rayons r minimum sont respectivement de 8,6 et 2 mm.
L'acier B suivant l'invention et., en particulier., les nuances Bl et B2, acquièrent des propriétés remarquables et, en particulier, un rapport élevé E/R entre la limite élastique et la résistance à la rupture,, par
<Desc/Clms Page number 6>
un traitement thermique qui consiste essentiellement à soumettre l'acier préalablement chauffé à deux refroidissements contrôlés,. le premier dans
EMI6.1
l'intervalle de température 800 - 6800C environ et le deuxième dans ilion- tervalle de température 600 -400 G environ, le premier intervalle étant franchi en un temps au moins dix fois plus- court que la durée de franchis- sement du deuxième intervalle.
Selon l'épaisseur du produit (de 1 à 20 mm),le premier refroi- dissement peut avoir une durée comprise entre 10 secondes et 10 minutes; le deuxième,, entre 5 et 100 minutes.
A titre d'exemples on peut opérer comme suit sur une tôle de 4 mm d'épaisseur :
EMI6.2
ExemBle¯l - On opère successivement les trois phases suivantes a) chauffage et maintien pendant 10 minutes à une température comprise entre 850 et 920 C; b) refroidissement rapide de la température de chauffage jusqu'à 600 C environ ; c) et enfin refroidissement ralenti en un temps au moins dix fois plus long entre 600 et 400 C, le refroidissement pouvant ensuite se ter- miner à l'air en-dessous de 4000C. Le mode de traitement peut se faire dans certains fours à normaliser et nécessite un seul chauffage de l'acier.
Le premier intervalle., et notamment la partie comprise entre 800 et 680 C peut être franchi par exemple en soixante secondes, tandis que le deuxième doit, dans ce cas,durer au moins dix minutes.
Exemple II - On effectue un recuit vers 850 à 920 0 avec refroidissement à l'air plus ou moins rapide (normalisation) suivi d'un revenu à une tempéra- ture comprise entre 600 et 400 C environ en un temps au moins dix fois plus long que la durée de passage entre 800 et 680 C au cours de la normalisation.
Ce mode de traitement est plus facile à réaliser que celui suivant l'exemple 1, mais exige deux chauffages de l'acier. Le temps de passage entre 800'et 68 C peut être, par exemple, de deux minutes? il se forme pendant ce temps une austénite dure enrichie en carbone et ferrite. Cette austénite, qui donnerait à l'acier une faible limite élastique, est décomposée en ferrite et carbures par un séjour plus long., de 20 minutes ou plus, dans la zone
EMI6.3
600l.00 G..
Le tableau ci-dessous précise les caractéristiques que l'on peut obtenir avec les aciers' nB-III et "B 2" respectivement, avec le traitement thermique I ou II ci-dessus., dans le cas de tôles de 2 à 10 mm d'épaisseur.
EMI6.4
<tb> : <SEP> Acier <SEP> " <SEP> B <SEP> 1 <SEP> " <SEP> Acier <SEP> Il <SEP> B <SEP> 2 <SEP> "
<tb>
<tb>
EMI6.5
Caractéristiques* g nor.ma.lisation:1;raitement normalisation: traitement sui-
EMI6.6
<tb> mécaniques <SEP> en <SEP> : <SEP> simple <SEP> : <SEP> suivant <SEP> I <SEP> ou <SEP> simple <SEP> vant <SEP> I <SEP> ou
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> travers <SEP> II <SEP> II
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> . <SEP> . <SEP> .
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
: <SEP> : <SEP> : <SEP> :
<tb>
EMI6.7
m,.a.e ea.mm.&.maed...yow.m.....mmm , v O Limite élastique E (minima) 28-36 kg/non2 :40-50 kgmm2ô/i.2m50 kg/mm2 40-60 kg/mm2 charge de ruptu-: t'y(j ... re R o 5µ¯7Q it 50-63 Il 68-80 Il 62-75 f9 Rapport à R Op5 à 096 s0y'5 à 09$5 Oy5 à 09 ; 0,75 à 090 :
EMI6.8
<tb> R
<tb>
<tb> Allongement <SEP> de <SEP> s
<tb>
EMI6.9
rupture s .6 à 24 % 20 â 28 % 13 - 18 n 14 - 22 % Resilience , sur Jt." Ii Résilience sur ! éprouvette Char-' 8-10 kgmjcm2 :9-12 kgm/cm2 â6 0'7, Okgm/cm2 : 6 ,5-8 kgm/=2
EMI6.10
<tb> py <SEP> :
<SEP> @
<tb>
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
<tb> Pliage <SEP> à <SEP> 180 <SEP> sans
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> crique <SEP> ni <SEP> gergure
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sur <SEP> mandrin <SEP> d'épais-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> seur <SEP> égale <SEP> à <SEP> il,5 <SEP> fois <SEP> fois <SEP> cel-3,5 <SEP> fois <SEP> cel-: <SEP> 2,5 <SEP> fois <SEP> cel-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sie <SEP> de <SEP> la <SEP> tôle <SEP> le <SEP> de <SEP> la <SEP> tôle <SEP> le <SEP> de <SEP> la <SEP> tôle <SEP> le <SEP> de <SEP> la <SEP> tôle
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aptitude <SEP> à <SEP> l'em-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> boutissage <SEP> :
<SEP> mauvaise <SEP> bonne
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> :(tendance <SEP> aux <SEP> (emboutissa-:
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> criques) <SEP> ge <SEP> profond):
<tb>
Etant donné l'importance essentielle pour les aciers suivant l' invention d'un traitement convenable, notamment en ce qui concerne l'obten- tion d'un rapport élevé, il parait utile de signaler un,procédé simple de contrôle de ce traitement.
On a remarqué que le rapport E/R élevé coincide, sur le diagramme de traction simple représenté à la Fig. 2 et dans lequel les allongements en % sont portés en abscisses et les charges en kg/mm2 de section de l'éprouvette en ordonnées,avec un allongement permanent impor- tant (2 à 3%) lorsque la charge d'épreuve atteint le palier 3'classique de la limite élastique.' Ce palier 3 est caractéristique des aciers recuits dont la structure est formée de ferrite et de carbures.
@
Au contraire, dans le cas des aciers B rapidement refroidis, donc mal recuitson n'observe pas de brisureà la limite élastique (Fig.
3), ce qui montre la présence d'austérité enrichie en carbone et non trans- formée en ferrite plus carbures.
Ces propriétés sont particulières aux aciers B suivant l'inven- tion car la vitesse de décomposition de l'austénite diffère entre les aciers A et B. Entre 800 et 680 C, l'austénite.des aciers A se décompose en ferrite et austénite enrichie en Carbone (020 -0,30%); cette dernière finit par for- mer des carbures et de la ferrite; la durée de cette transformation est d'environ 10 à 30 secondes pour les aciers C-Mn-Va, de 100 à 600 secondes pour les aciers C-Mn-Mo connus du type A.
Pour les aciers B, au contraire., l'austénite enrichie en carbone est beaucoup plus stable, car elle ne se transforme complètement en carbures et ferrite qu'au bout de 700 à 4000 secondes suivant les teneurs en molyb- dène et vanadium notamment.
Cette stabilité de l'austénite enrichie en carbone fait qu'il est possible de réaliser, même sur fortes épaisseurs, de 50 mm par exemple, les mêmes caractéristiques que sur produits de faible épaisseur, en particu- lier la limite élastique élevée et la résilience en travers; c'est une autre propriété très utile en construction métallique.
L'acier suivant l'invention est susceptible de très nombreuses applicationsparmi lesquelles on peut citer : les constructions soudées à l'arc et par points (châssis, bogies affûts caisses, faces,, pavillons de voitures de chemin de fer, châssis et éléments de carrosserie de voitures automobiles etc...); les conduites forcées écrouies à froid par les procédés d'aùto- frettage, traitées ou non par vieillissement artificiel (250-400 C); les constructions soudées par le procédé sous laitiers conduc- teurs (poutres composées à faces parallèles, assemblées grâce à ce procédé etc. 0 0);
les constructions soudées par étincellage (chaînes marines et autres, à poids et encombrement réduits;, non. vieillissantes, non fragiles à basse température) etc,,,,
Naturellement,l'invention n'est nullement limitée aux propor- tions, températures et applications indiquées qui ne l'ont été qu'à titre d'exempleso