EP0123632B1 - Procédé de fabrication d'aciers à haute usinabilité - Google Patents

Procédé de fabrication d'aciers à haute usinabilité Download PDF

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EP0123632B1
EP0123632B1 EP84420046A EP84420046A EP0123632B1 EP 0123632 B1 EP0123632 B1 EP 0123632B1 EP 84420046 A EP84420046 A EP 84420046A EP 84420046 A EP84420046 A EP 84420046A EP 0123632 B1 EP0123632 B1 EP 0123632B1
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EP
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ppm
steel
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André Gueussier
Edmond Vachiery
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Vallourec SA
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Vallourec SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/04—Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/064—Dephosphorising; Desulfurising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/0056—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00 using cored wires

Definitions

  • the process which is the subject of the invention relates to steels with high machinability.
  • the high sulfur contents have no particularly favorable effect.
  • the inclusions of oxides are particularly harmful, because they cause wear of the cutting tool. It is possible to reduce the harmfulness of these inclusions by known means. We can, in particular, reduce the amount through good deoxidation and good decantation. We can also make these inclusions, generally based on alumina, globular by the addition of alkaline earth elements such as calcium, or other elements. We can finally arrange for these remaining globular inclusions to contain a certain amount of combined sulfur which reduces their harmfulness.
  • the sulfur content is generally not greater than that which is usually present in the steel, that is to say less than 500 ppm (parts per million by mass), and generally of the order from 150 to 500 ppm. In this interval, it is often sought to target a narrower sulfur content range, for a given use and grade, which presents serious difficulties.
  • It consists of conventionally developing a non-alloyed, or alloyed, or stainless steel, then carrying out an addition of aluminum in order to lower the oxygen content of the steel below 100 ppm, to be carried out subsequently or simultaneously desulphurization pushed by a basic slag to lower to lower the sulfur content of the steel below 100 ppm, then to effect, in flux-cored wire, additions of calcium and sulfur in order to reach in the steel a calcium content of 20 to 100 ppm, and a sulfur content of 1 50 to 500 ppm.
  • the aluminum treatment is advantageously carried out so as to obtain a residual content of aluminum dissolved in the steel, between 150 and 500 ppm.
  • the oxygen content is preferably lowered below 50 ppm and, preferably also, the desulfurization is carried out until a sulfur content of less than 50 ppm is obtained.
  • the calcium and sulfur additions can be carried out either successively, the calcium being introduced first, or simultaneously.
  • the addition of sulfur is carried out by means of a cored wire advantageously containing flower of sulfur or a sulphide.
  • cored wires may be used, or a single cored wire containing both calcium and sulfur in the desired proportions.
  • the process makes it possible in particular to reproducibly obtain steels for which the difference between the sulfur content obtained and the targeted content does not exceed ⁇ 40 ppm.
  • the process according to the invention makes it possible, thanks to the very precise additions of calcium and sulfur thus carried out, to obtain finely distributed globular inclusions which confer reproducible manner on steel, high machinability. These steels are particularly suitable for high speed machining using carbide cutting tools.
  • a steel is produced in a conventional manner, such as a common or unalloyed arier of the current type;
  • this steel is deoxidized by means of aluminum, the quantity of which is determined to obtain a residual content of aluminum dissolved in the steel of approximately 150 to
  • the calcium is then introduced into the liquid steel by means of a cored wire such as, for example, that described in FR 2 476 542.
  • This wire consists of an envelope, generally made of mild steel. , a few tenths of a mm thick, which surrounds the core which contains the calcium in the divided state in the form of metal or alloy.
  • the introduction of the cored wire is preferably carried out at a relatively rapid speed in general of the order of 1 to a few meters per second. This speed is adjusted as a function of the content of the calcium-filled wire per unit of length and of the quantity to be introduced, so that the duration of this introduction does not exceed a few minutes.
  • the wire is made to penetrate from top to bottom through the metal bath, at an angle preferably close to 90 ° relative to the horizontal.
  • the amount of calcium thus introduced into the liquid steel bath, in the form of a metal or an alloy, is preferably between 150 and 600 g / t, which allows, after reduction of the oxides still present in the metal, obtaining a calcium content preferably between 20 and 80 ppm.
  • the liquid steel bath thus added with calcium is preferably homogenized by stirring before the addition of sulfur. This latter addition is carried out by means of a cored wire containing either sulfur in bloom or a sulphide such as iron or manganese sulphide, in pulverulent or granular form.
  • the envelope is generally made of mild steel a few tenths of a mm thick, as in the case of the addition of calcium.
  • the introduction of sulfur is carried out like that of calcium at relatively high speed.
  • a light stirring of the liquid steel is maintained with argon for 3 minutes, after the end of the injection.
  • the tubes thus obtained have machinability, using carbide cutting tools, much higher than that of common steels of the same composition.
  • the curves A and B of the single figure thus give for each steel corresponding to the normalized state the cutting speed in meters per minute which allows a determined cutting time corresponding to a frontal wear of the tool of 0.4 mm.
  • This is a dry run test carried out with an ISO-P30 carbide tool, the feed being 0.4 mm per revolution and the depth of the pass 2 mm.
  • Example 2 The same steel as in Example 1 is produced under similar conditions, but by making the final additions of calcium and sulfur using a cored wire containing a mixture of flower of sulfur and of calcium-calcium % by mass of calcium.
  • This mixture contains 20% sulfur and 80% silico-calcium. This cored wire weighs 170 g per meter. It is introduced at 120 m per minute for 4 minutes, giving results similar to those of Example 1.

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Description

  • Le procédé qui fait l'objet de l'invention concerne les aciers à haute usinabilité.
  • Il est bien connu que l'usinabilité des aciers dépend notamment de la nature et de la morphologie des inclusions présentes dans le métal. Ce sont essentiellement des oxydes et des sulfures. Les oxydes ont une action défavorable sur l'outil de coupe, par contre, les sulfures peuvent jouer un rôle favorable de lubrifiant.
  • Dans le cas de l'usinage à vitesse de coupe modérée au moyen d'outils en acier à coupe rapide, se sont les sulfures qui jouent un rôle essentiel et on utilise des aciers dont les teneurs en soufre peuvent varier de 0,07 à 0,37%.
  • Dans le cas de l'usinage à grande vitesse de coupe au moyen d'outils en carbure(s), les hautes teneurs en soufre n'ont pas d'effet particulièrement favorable. Par contre, on a constaté que les inclusions d'oxydes sonr particulièrement nocives, car elles entraînent une usure de l'outil de coupe. Il est possible de réduire la nocivité de ces inclusions par des moyens connus. On peut, en particulier, en diminuer la quantité grâce à une bonne désoxydation et à une bonne décantation. On peut aussi rendre ces inclusions, généralement à base d'alumine, globulaires par l'addition d'éléments alcalino-terreux tels que le calcium, ou d'autres éléments. On peut enfin s'arranger pour que ces inclusions globulaires restantes comportent une certaine quantité de soufre combiné qui en réduit la nocivité. Dans ce cas, la teneur en soufre n'est généralement pas supérieure à celle qui est habituellement présente dans l'acier, c'est-à-dire inférieure à 500 ppm (parties par million en masse), et généralement de l'ordre de 150 à 500 ppm. Dans cet intervalle, on cherche souvent à viser une fourchette de teneur en soufre plus étroite, pour un usage et une nuance donnés, ce qui présente de sérieuse difficultés.
  • De façon plus générale, l'expérience a montré qu'il est difficile d'élaborer de façon reproductible des aciers à faible teneur en inclusions, ces inclusions étant rendues peu nocives par leur forme globulaire et par la présence de petites quantités de soufre combiné.
  • Ces difficultés sont dues en particulier au fait qu'il est difficile de bien contrôler les teneurs en soufre de l'acier après désoxydation, qu'il n'est pas non plus facile de contrôler avec précision les additions éventuelles de soufre effectuées à l'acier, et enfin que le rendement des additions de calcium comme agent permettant de rendre les inclusions globulaires manque de reproducibilité.
  • On a recherché la possibilité de mettre au point un procédé d'élaboration d'aciers à haute usinabilité particulièrement aptes à l'usinage à grande vitesse au moyen d'outils de coupe en carbure(s), par addition de soufre et de calcium, dans des conditions permettant d'obtenir une grande efficacité de l'action combinée du calcium et du soufre ainsi qu'une excellente reproducibilité des résultats, tout en réglant la teneur en soufre à l'intérieur de fourchettes de composition étroites, cette teneur ne dépassant pas la limite supérieure de teneur en soufre couramment admise dans les aciers ne comportant pas d'addition volontaire de soufre.
  • On a recherché en particulier la possibilité de développer une méthode d'introduction dans l'acier liquide du calcium et du soufre, qui permette d'ajuster avec beaucoup de précision les quantités de calcium apportées à l'acier sous forme métallique, ainsi que les quantités correspondantes de soufre, afin d'obtenir du point de vue usinabilité, de façon reproductible, des résultats optimaux.
  • Le procédé qui fait l'objet de l'invention apporte une solution particulièrement avantageuse au problème qui se pose.
  • Il consiste à élaborer de façon conventionnelle un acier non allié, ou allié, ou inoxydable, puis à effectuer une addition d'aluminium afin d'abaisser la teneur en oxygène de l'acier au-dessous de 100 ppm, à effectuer ensuite ou simultanément une désulfuration poussée par un laitier basique d'abaisser d'abaisser la teneur en soufre de l'acier au-dessous de 100 ppm, puis à effectuer, en fil fourré, des additions de calcium et de soufre afin d'atteindre dans l'acier une teneur en calcium de 20 à 100 ppm, et une teneur en soufre de 1 50 à 500 ppm. On effectue avantageusement le traitement par l'aluminium de façon à obtenir une teneur résiduelle en aluminium dissout dans l'acier, comprise entre 150 et 500 ppm. La teneur en oxygène est de préférence abaissé au-dessous de 50 ppm et, de préférence également, la désulfuration est effectuée jusqu'à obtenir une teneur en soufre inférieure à 50 ppm. On peut effectuer les additions de calcium et de soufre soit de façon successive, le calcium étant introduit en premier, soit simultanément.
  • L'addition de calcium est effectuée au moyen d'un fil fourré contenant de façon avantageuse un alliage de calcium en grains ou poudre, tel qu'un silico-calcium.
  • L'addition de soufre est effectuée au moyen d'un fil fourré contenant avantageusement de la fleur de soufre ou un sulfure.
  • En cas d'addition simultanée de calcium et de soufre, on peut utiliser plusieurs fils fourrés, ou un seul fil fourré contenant à la fois du calcium et du soufre dans les proportions voulues.
  • Le procédé permet en particulier d'obtenir de façon reproductible des aciers pour lesquels l'écart entre la teneur en soufre obtenue et la teneur visée ne dépasse pas ± 40 ppm.
  • Le procédé suivant l'invention permet, grâce aux additions très précises de calcium et de soufre ainsi effectuées, d'obtenir des inclusions globulaires finement réparties qui confèrent de façon reproductible à l'acier, une haute usinabilité. Ces aciers conviennent en particulier pour l'usinage à grande vitesse au moyen d'outils de coupe en carbure(s).
  • De façon détaillée, le procédé suivant l'invention peut avantageusement être mis en oeuvre de la façon suivante;
  • on élabore da façon conventionnelle un acier, tel qu'un arier allié ou non allié de type courant;
  • on effectue en fin d'élaboration, une désoxydation de cet acier au moyen d'aluminium, dont la quantité est déterminée pour obtenir une teneur résiduelle en aluminium dissout dans l'acier d'environ 150 à
  • 500 ppm, cette teneur résiduelle visée étant d'autant plus forte, à l'intérieur de ces limites, que la teneur en carbone est plus faible. La désulfuration est ensuite effectuée par exemple au moyen d'un laitier basique qui peut être constitué par exemple par de la chaux ou par une composition alumino-calcique. Pour permettre une désulfuration très poussée, il faut brasser le métal liquide au contact du laitier, par exemple par insufflation d'un gaz neutre à travers ce métal, ou par tout autre moyen. Les teneurs finales en soufre et oxygène doivent être, de préférence, inférieures à 50 ppm pour chacun de ces éléments.
  • On effectue ensuite l'introduction du calcium dans l'acier liquide au moyen d'un fil fourré tel que, par exemple, celui qui est décrit dans le FR 2 476 542. Ce fil est constitué d'une enveloppe, généralement en acier doux, de quelques dixièmes de mm d'épaisseur, qui entoure l'âme qui contient le calcium à l'état divisé sous forme de métal ou d'alliage. L'introduction du fil fourré est effectuée de préférence à une vitesse relativement rapide en général de l'ordre de 1 à quelques mètres par seconde. On ajuste cette vitesse, en fonction du contenu du fil fourré en calcium par unité de longueur et de la quantité à introduire, de façon que la durée de cette introduction ne dépasse pas quelques minutes. On fait pénétrer le fil de haut en bas à travers le bain métallique, sous un angle proche de préférence de 90° par rapport à l'horizontale. Il est ainsi possible de faire pénétrer le calcium très profondément dans l'acier liquide, ce qui accroît considérablement l'efficacité de l'addition. La quantité de calcium ainsi introduite dans le bain d'acierliquide, sous forme de métal ou d'alliage, est, de préférence, comprise entre 150 et 600 g/t, ce qui permet, eprès réduction des oxydes encore présents dans le métal, l'obtention d'une teneur en calcium comprise de préférence entre 20 et 80 ppm. On homogénéise de préférence par agitation le bain d'acier liquide ainsi additionné de calcium avant l'addition de soufre. cette dernière addition est effectuée au moyen d'un fil fourré contenant soit du soufre en fleur, soit un sulfure tel que le sulfure de fer ou de manganèse, sous forme pulvérulente ou granulaire. L'enveloppe est généralement en acier doux de quelques dixièmes de mm d'épaisseur, comme dans le cas de l'addition de calcium. L'introduction du soufre est effectuée comme celle du calcium à vitesse relativement grande.
  • On cherche à obtenir dans l'acier liquide, une teneur en soufre comprise entre 150 et 500 ppm, de préférence entre 150 et 300 ppm. Le rendement d'introduction est en général supérieur à 90% grâce à l'utilisation de fil fourré, ce qui permet d'ajuster avec beaucoup de précision l'addition de soufre. Dans la pratique, en effectuant des additions de fleur de soufre, on peut admettre un rendement de l'ordre de 95%.
  • Après introduction du soufre, l'acier est coulé soit en lingots, soit au moyen d'une installation de coulée continue. On doit prendre le maximum de précautions pour éviter la réoxydation des jets d'acier liquide au cours de cette opération de coulée. Les exemples ci-après décrivent de façon non limitative deux modes d'élaboration d'un acier à haute usinabilité par le procédé suivant l'invention:
    • Exemple 7:
  • On se propose d'appliquer le procédé suivant l'invention à la préparation d'un acier correspondant à la norme AISI 1045 et contenant en % en masse:
    Figure imgb0001
    • 1 ° ) Elaboration de l'acier par des modes habituels dans un four à arc de 80 t, à partir de ferrailles, avec fusion oxydante, soufflage d'oxygène, déphosphoration, décrassage et recarburation.
    • 2 ° Coulée du métal en poche magnésie, une partie du manganèse pouvant être ajoutée dans la poche sous forme de ferro-manganèse. Désoxydation par addition d'aluminium dans le jet de coulée (1,5 kg/t soit 120 kg). Mise en place sur le métal d'un laitier de chaux (8 kg/t de poudre de chaux anhydre, soit 640 kg).
      Dés le début de la coulée, brassage du métal par insufflation d'argon. Prise d'un échantillon d'acier 1 minute après la fin de la coulée. La composition de l'acier est alors en % en masse:
      • C = 0,40; Si = 0,12; Mn = 0,61;
        en ppm: AI = 520; S = 100.
    • 3°) Brassage du métal par l'argon pendant 20 minutes. Réglage de la composition par addition de fonte et ferro manganèse.
  • On obtient alors la composition suivante, en % en masse:
    • C = 0,44; Si = 0,11; Mn = 0,72;

    en ppm: AI = 250; S = 40; 02 = 25.
  • 4° ) Introduction dans le métal d'un fil fourré contenant 180 g au mètre de silico-calcium à 31 % en masse de calcium. Ce fil est introduit à la vitesse de 120 m/minute, soit 6,7 kg/minute de calcium pendant 3 minutes, soit une addition de 0,25 kg de calcium par tonne d'acier liquide.
  • On maintient un brassage léger de l'acier liquide par l'argon pendant 3 minutes, après la fin de l'injection.
  • Un échantillon prélevé après ces 3 minutes a la composition suivante:
    • en % en masse: C = 0,45; Si = 0,18; Mn = 0,73;

    en ppm: AI = 230; 02 = 20; S = 30; Ca = 40.
    • 5°) Resulfuration par injection dans l'acier, après les 3 minutes de brassage léger suivant l'addition de calcium, d'un fil fourré contenant 135 g au mètre de fleur de soufre. La vitesse d'injection est de 90 m/minute et l'introduction de soufre dure 1 minute et 20 secondes; soit une addition totale de 16,2 kg de soufre ou 200 ppm.
    • 6°) Le métal est coulé en ronds de 223 mm de diamètre par coulée continue rotative, en passant préalablement dans un répartiteur comportant un revêtement basique. La composition finale du produit coulé est la suivante:
      • en % en masse: C = 0,45; Si = 0,17; Mn = 0,72
        en ppm: AI = 220; 02 = 30; S = 220; Ca = 36.
    • 7°) Ces ronds sont laminés en tubes mécaniques de 180 mm de diamètre extérieur et de 20 mm d'épaisseur.
  • Les tubes ainsi obtenus présentent une usinabilité, au moyen d'outils de coupe en carbure(s), très supérieure à celle des aciers courants de même composition.
  • Ce gain d'usinabilité est illustré dans la figure unique qui compare, pour la même analyse de référence indiquée plus haut (norme AISI 1045),:
    • - un acier A élaboré selon la procédure qui vient d'être décrite;
    • - un acier B élaboré normalement dans le même four à arc de 80t avec des matières premières analogues mais n'ayant été ni resulfuré, ni traité par le calcium au moyen de fil fourré. La teneur en S de 0,018/0,025% a été obtenue directement par brassage modéré et de plus courte durée avec un laitier moins riche en chaux (300 kg de chaux ajouté en poche après coulée en poche au lieu de 640 kg).
  • On a figuré en abscisse selon l'axe T la durée en minutes pour une usure frontale d'outils de 0,4 mm et en ordonné selon l'axe V la vitesse de coupe en mètres par minute.
  • Les courbes A et B de la figure unique donnent ainsi pour chaque acier correspondant à l'état normalisé la vitesse de coupe en mètres par minute qui permet une durée de coupe déterminée correspondant à une usure frontale de l'outil de 0,4 mm. Il s'agit d'un essai de chariotage réalisé à sec avec un outil carbure ISO-P30, l'avance étant de 0,4 mm par tour et la profondeur de passe de 2 mm.
  • Plus la vitesse de coupe est élevée pour une durée de vie donnée, plus grande est l'usinabilité de l'acier.
  • On mesure ainsi l'efficacité de la technique d'élaboration proposée.
    • Exemple 2
  • Le même acier que dans l'exemple 1 est élaboré dans des conditions similaires, mais en effectuant les additions finales de calcium et de soufre à l'aide d'un fil fourré contenant un mélange de fleur de soufre et de silico-calcium à 30% en masse de calcium.
  • Ce mélange contient 20% de soufre et 80% de silico-calcium. Ce fil fourré pèse 170 g au mètre. Il est introduit à 120 m par minute pendant 4 minutes en donnant des résultats similaires à ceux de l'exemple 1.

Claims (12)

1. Procédé de préparation d'un acier à haute usinabilité dans lequel on élabore par fusion de façon conventionnelle, un acier non allié ou allié ou inoxida- ble, caractérisé en ce que, après élaboration de l'acier de façon conventionnelle, on effectue une addition d'aluminium afin d'abaisser la teneur en oxygène de l'acier au-dessous de 100 ppm et une désulfuration poussée par un laitier basique afin d'abaisser la teneur en soufre de l'acier au-dessous de 100 ppm, puis en ce qu'on effectue, en fil fourré, des additions de calcium et de soufre afin d'atteindre dans l'acier une teneur en calcium de 20 à 100 ppm et une teneur en soufre de 150 à 500 ppm.
2. Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que l'addition d'aluminium est effectuée de façon que la teneur résiduelle de l'acier en aluminium dissout soit comprise entre 1 50 et 500 ppm.
3. Procédé suivant revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la désoxydation est effectuée de façon à abaisser la teneur en oxygène de l'acier au-dessous de 50 ppm.
4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la désulfuration est effectuée de façon à abaisser la teneur en soufre de l'acier au-dessous de 50 ppm.
5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les additions de calcium et de soufre sont effectuées successivement, l'addition de calcium étant faite en premier.
6. Procédé suivant revendication 5, caractérisé en ce que l'addition de calcium est effectuée au moyen de fil fourré contenant un alliage à base de calcium en grains tel qu'un silico calcium.
7. Procédé suivant revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'addition de soufre est effectuée au moyen de fil fourré contenant du soufre en fleur ou un sulfure.
8. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on effectue simultanément l'addition de calcium et de soufre au moyen d'au moins un fil fourré.
9. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'addition de soufre est comprise entre 1 50 et 300 ppm.
10. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que on ajuste la teneur en soufre, à l'intérieur du domaine compris entre 150 et 500 ppm, avec une précision telle que l'écart entre la teneur obtenue et la teneur visée ne dépasse pas ± 40 ppm.
11. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les phases d'abaissement de la teneur en oxygène, de désulfuration, d'addition de calcium et de soufre sont réalisées en poche.
12. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le métal est coulé par coulée continue.
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FR8304611 1983-03-15

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