WO2002004689A1 - Acier inoxydable ferritique utilisable pour des pieces ferromagnetiques - Google Patents

Acier inoxydable ferritique utilisable pour des pieces ferromagnetiques Download PDF

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Christophe Bourgin
Benoît POLLET
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Definitions

  • Ferritic stainless steel suitable for ferromagnetic parts.
  • the present invention relates to a ferritic stainless steel usable for ferromagnetic parts.
  • Ferritic stainless steels are characterized by a determined composition, the ferritic structure being in particular ensured, after rolling and cooling of the composition, by an annealing heat treatment giving them said structure.
  • ferritic stainless steels which can contain up to 0.17% carbon. These steels, after the cooling which follows their development, have a two-phase austeno-ferritic structure. They can however be transformed into ferritic stainless steels after annealing despite a relatively high carbon content. ferritic stainless steels with a chromium content of around 11 or 12%. They are quite close to martensitic steels containing 12% chromium, but different in their carbon content which is relatively low. When hot rolling, the steel structure can be two-phase, ferritic and austenitic.
  • the final structure is ferritic and martensitic. If it is slower, the austenite partially decomposes into ferrite and carbides, but with a content of carbide richer than the surrounding matrix, the austenite having hot dissolved more carbon than ferrite.
  • tempering or annealing must therefore be carried out on hot rolled and cooled steels to generate a totally ferritic structure.
  • the tempering can take place at a temperature of approximately 820 ° C. lower than the transition temperature alpha - »gamma, which generates a precipitation of carbides.
  • the ferritic structure is obtained by limiting the quantity of carbides, this is why stainless steels Ferritics, developed in this area, have a carbon content of less than 0.02%.
  • Steels which are usable for their magnetic properties are known, for example in document US Pat. No. 5,769,974 which describes a process for manufacturing a ferritic steel which is resistant to corrosion and which can reduce the value of the coercive field of said steel.
  • the steel used in the process is a steel of the re-sulfurized type. Sulfur reduces the cold deformation properties.
  • the steel contains a high silicon content to increase the resistivity of the material and reduce the eddy currents.
  • the object of the present invention is to present a stainless steel of ferritic structure which can be used for magnetic parts having high magnetic properties and having good processing properties in terms of cold stamping and good machinability properties.
  • the subject of the invention is a ferritic stainless steel which can be used for ferromagnetic parts, which is characterized in that it comprises in its weight composition:
  • the weight composition also includes calcium and oxygen so that: Ca> 3010- 4 %
  • the steel contains inclusions of silico-aluminale of lime of the anorthite and / or pseudo-wollastonite and / or gehlenite type.
  • steel comprises in its weight composition:
  • the invention also relates to a process for producing a ferritic steel, characterized in that the weight composition is subjected, after hot rolling and cooling, to an annealing heat treatment and then to a section modification of the wire drawing or drawing type.
  • the drawn or drawn steel can be subsequently subjected to an additional recrystallization annealing in order to perfect the magnetic properties of the part.
  • the single figure presents a ternary diagram giving the general composition of the inclusions of aluminosilicates of lime.
  • the invention relates to a steel of the following general composition:
  • the composition of a steel favors the appearance of the ferritic phase of centered cubic structure.
  • These elements are called alpha-genes. Among these are in particular chromium and molybdenum.
  • Other elements known as gamma-genes favor the appearance of the gamma-austenitic phase of cubic structure with centered faces.
  • nickel, carbon and nitrogen are examples of these elements. It is therefore necessary to reduce the content of these elements and it is for these reasons that the steel according to the invention comprises in its composition less than 0.030% of carbon, less than 0.5% of nickel, less than 0.030% nitrogen.
  • Carbon is bad for impact, corrosion and machinability.
  • the precipitates In general, in the field of magnetic properties, the precipitates must be reduced because they constitute obstacles to the movements of the walls of blocks.
  • Titanium and / or niobium form compounds including titanium and / or niobium carbide, which prevents the formation of carbides and nitrides of chromium. They therefore promote corrosion resistance and in particular the corrosion resistance of welds.
  • the sulfur is limited so as to optimize the behavior of steel in the field of cold stamping and to optimize the magnetic properties. Silicon is necessary to increase the resistivity of the steel in order to reduce the eddy currents, and is favorable for the resistance to corrosion.
  • the steels according to the invention may also contain from 0.2% to 3% of molybdenum, an element improving the resistance to corrosion and promoting the formation of ferrite.
  • molybdenum an element improving the resistance to corrosion and promoting the formation of ferrite.
  • ferritic stainless steels pose machinability problems.
  • ferritic steels a big drawback of ferritic steels is the poor conformation of the chip. They produce long, tangled chips, which are very difficult to fragment. This drawback can become very detrimental in machining modes where the chip is confined, such as for example in deep drilling, cutting.
  • a solution provided to overcome the machining problems of ferritic steels is to introduce sulfur into their composition or elements of the lead, tellurium, selenium type which harm either the mechanical properties of cold deformation of corrosion resistance, or magnetic properties.
  • Said ferritic steels usually contain hard inclusions of the chromite (Cr Mn, Al Ti) 0, alumina (AIMg) O, silicate (SiMn) O, abrasive type for cutting tools.
  • ferritic stainless steel may further contain in its composition by weight more than 30 10-4% calcium and more than 70 10 "4% oxygen.
  • the malleable oxides are liable to deform in the rolling direction, while the hard oxides which they replace remain in the form of grains.
  • the inclusions chosen according to the invention significantly reduce the breakage rate of the drawn wire.
  • the ferritic steel, according to the invention comprising malleable inclusions, can be polished with much more ease in order to obtain an improved polished surface condition.
  • the steel is produced by electric fusion and then poured continuously to form blooms.
  • the blooms are then subjected to hot rolling for forming, for example wire rod or bars. Annealing is necessary to ensure the cold processing operations of the product, for example drawing and drawing.
  • the steel is subjected to an additional recrystallization annealing in order to restore and perfect the magnetic properties.
  • the steels according to the invention have better magnetic characteristics than the reference steels, as presented in the following table 2.
  • Steel 2 performs very well in the area of machining by bar turning, despite a limited sulfur content. This is explained by the presence of calcium and oxygen.
  • Steel 1 has a very good ability to cold stamping, due to its low sulfur content. On parts previously struck, the machining by screw cutting is carried out correctly, without any particular problem.
  • Steels 1 and 2 behave very well in the corrosion field, despite their low chromium content, as can be seen in the following table 3. This is due to steel 1 with a low sulfur content and for steel 2 with a limited sulfur content associated with a low manganese content.
  • the steel according to the invention can be used particularly for the manufacture of ferromagnetic parts such as, for example, parts of solenoid valves, of injector for direct gasoline injection system, of centralized door closings in the field of automotive or any application requiring parts of the magnetic core or inductor type.
  • ferromagnetic parts such as, for example, parts of solenoid valves, of injector for direct gasoline injection system, of centralized door closings in the field of automotive or any application requiring parts of the magnetic core or inductor type.
  • sheet form it can be used in current transformers or magnetic shields.

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Abstract

Acier inoxydable ferritique caractérisé en la composition pondérale suivante: 0% < C </= 0,030%; 1% </= Si </= 3%; 0% < Mn </= 0,5%; 10% </= Cr </= 13%; 0% < Ni </= 0,5%; 0% < Mo </= 3%; N </= 0,030%; Cu </= 0,5%; Ti </= 0,5%; Nb </= 1%; Ca >/= 1 10<-4>%; O >/= 10 10<-4>%; S </= 0,030%; P </= 0,030%; le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.

Description

Acier inoxydable ferritique utilisable pour des pièces ferromagnétiques.
La présente invention concerne un acier inoxydable ferritique utilisable pour des pièces ferromagnétiques. Les aciers inoxydables ferritiques se caractérisent par une composition déterminée, la structure ferritique étant notamment assurée, après laminage et refroidissement de la composition, par un traitement thermique de recuit leur conférant ladite structure.
Parmi les grandes familles d'aciers inoxydables ferritiques, définies notamment en fonction de leur teneur en chrome et en carbone, nous citons : les aciers inoxydables ferritiques pouvant contenir jusqu'à 0,17% de carbone. Ces aciers, après le refroidissement qui suit leur élaboration, ont une structure biphasée austéno-ferritique. Ils peuvent cependant être transformés en aciers inoxydables ferritiques après recuit malgré une teneur en carbone relativement élevée. les aciers inoxydables ferritiques dont la teneur en chrome est de l'ordre de 11 ou 12 %. Ils sont assez proches des aciers martensitiques contenant 12 % de chrome, mais différents par leur teneur en carbone qui est relativement faible. Lors du laminage des aciers à chaud, la structure de l'acier peut être biphasée, ferritique et austénitique. Si le refroidissement est, par exemple énergique, la structure finale est ferritique et martensitique. S'il est plus lent, l'austénite se décompose partiellement en ferrite et carbures, mais avec une teneur en carbure plus riche que la matrice environnante, l'austénite ayant solubilisé à chaud plus de carbone que la ferrite. Dans les deux cas, un revenu ou recuit doit donc être pratiqué sur les aciers laminés à chaud et refroidis pour générer une structure totalement ferritique. Le revenu peut se faire à une température d'environ 820°C inférieure à la température Ad de transition alpha -» gamma, ce qui engendre une précipitation de carbures. Dans le domaine des aciers ferritiques destinés à une application utilisant des propriétés magnétiques, la structure ferritique est obtenue en limitant la quantité de carbures, c'est pour cela que les aciers inoxydables ferritiques, développés dans ce domaine, ont une teneur en carbone inférieure 0,02%.
Il est connu des aciers utilisables pour leurs propriétés magnétiques comme par exemple dans le document US 5 769 974 qui décrit un procédé de fabrication d'un acier ferritique résistant à la corrosion et pouvant réduire la valeur du champ coercitif dudit acier. L'acier utilisé dans le procédé est un acier du type re sulfuré. Le soufre réduit les propriétés de déformation à froid.
L'acier obtenu par le procédé est donc difficilement utilisable pour la réalisation de pièces frappées à froid. II est connu aussi le brevet US 5 091 024 dans lequel il est présenté des articles magnétiques résistant à la corrosion formée d'un alliage consistant essentiellement en une composition à faible teneur en carbone et faible teneur en silicium, c'est-à-dire respectivement inférieures à 0,03% et 0,5%.
Or, dans le domaine magnétique, il est important que l'acier contienne une forte teneur en silicium pour augmenter la résistivité du matériau et réduire les courants de Foucault.
La présente invention a pour but de présenter un acier inoxydable de structure ferritique utilisable pour des pièces magnétiques ayant de hautes propriétés magnétiques et présentant de bonnes propriétés de mise en œuvre en terme de frappe à froid et de bonnes propriétés d'usinabilité.
L'invention a pour objet un acier inoxydable ferritique utilisable pour des pièces ferromagnétiques qui se caractérise en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale :
0% < C < 0,030% 1 % < Si < 3%
0% < Mn < 0,5% 10% < Cr < 13% 0% < Ni < 0,5% 0% < Mo < 3% N ≤ 0,030%
Cu < 0,5% Ti < 0,5% Nb≤ 1%
Ca>110^% ,
O≥10 κr*%,
S < 0,030%, P < 0,030% le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier. Les autres caractéristiques de l'invention sont :
- la composition pondérale comporte en outre du calcium et de l'oxygène de manière que : Ca > 3010-4%
0 > 7010- %
- le rapport entre la teneur en calcium et en oxygène Ca/O étant
0,2 < Ca/O < 0,6.
- l'acier contient des inclusions de silico-aluminale de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou gehlénite.
- de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale :
0%<C 0.015%
1 % ≤ Si < 3% 0 < Mn < 0,4% 10%<Cr<13%
0% < Ni < 0,2%
0,2% < Mo < 2%
N< 0,015%
Cu < 0,2% Ti < 0,2%
Nb≤1%
Ca>3010"4%
O> 7010-4%
S < 0,003% P < 0,030% le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier. - de préférence l'acier comprend dans sa composition pondérale :
0%<C<0.015%
1 % < Si < 3%
0 < Mn < 0,4% 10%<Cr<13%
0% < Ni < 0,2%
0,2% < Mo < 2%
N< 0,015%
Cu < 0,2% Ti<0,2%
Nb≤1%
Ca>3010"4%
O≥ 7010-4%
0,015<S<0,03% P< 0,030% le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
L'invention concerne également un procédé d'élaboration d'un acier ferritique caractérisé en ce que la composition pondérale est soumise, après laminage à chaud et refroidissement, à un traitement thermique de recuit puis à une modification de section du type tréfilage ou étirage.
L'acier tréfilé ou étiré peut être ultérieurement soumis à un recuit complémentaire de recristallisation pour parfaire les propriétés magnétiques de la pièce.
La description qui suit et la figure unique, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre l'invention.
La figure unique présente un diagramme ternaire donnant la composition générale des inclusions d'aluminosilicates de chaux.
L'invention concerne un acier de composition générale suivante :
0% < C < 0,030%
1% < Si ≤3%
0% < Mn < 0,5% 10% ≤ Cr<13% 0% <Ni < 0,5% 0% < Mo < 3% N < 0,030% Cu < 0,5% Ti < 0,5%
Nb ≤ 1% Ca > 1 10"*% O > 10 10^% S < 0,030% P ≤ 0,030% le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
Du point de vue métallurgique, certains éléments contenus dans la composition d'un acier favorisent l'apparition de la phase ferritique de structure cubique centrée. Ces éléments sont dits alpha-gènes. Parmi ceux-ci figurent notamment le chrome et le molybdène. D'autres éléments dits gamma-gènes favorisent l'apparition de la phase gamma-austénitique de structure cubique à faces centrées. Parmi ces éléments figurent le nickel ainsi que le carbone et l'azote. Il est donc nécessaire de réduire la teneur de ces éléments et c'est pour ces raisons que l'acier selon l'invention comporte dans sa composition moins de 0,030% de carbone, moins de 0,5% de nickel, moins de 0,030% d'azote.
Le carbone est néfaste pour la frappe, la corrosion et l'usinabilité. De manière générale, dans le domaine des propriétés magnétiques, les précipités doivent être réduits car ils constituent des obstacles aux mouvements des parois de Blocks.
Concernant les autres éléments de la composition, le nickel, le manganèse, le cuivre dans la composition, due à l'élaboration industrielle de l'acier ne sont que des éléments résiduels qu'on cherche à réduire et même à éliminer. Le titane et ou le niobium forment des composés dont le carbure de titane et ou de niobium, ce qui évite la formation de carbures et de nitrures de chrome. Ils favorisent, de ce fait la tenue à la corrosion et notamment la tenue en corrosion des soudures.
Le soufre est limité de façon à optimiser le comportement de l'acier dans le domaine de la frappe à froid et à optimiser les propriétés magnétiques. Le silicium est nécessaire pour augmenter la résistivité de l'acier afin de réduire les courants de Foucault, et est favorable pour la tenue à la corrosion.
Les aciers selon l'invention peuvent également contenir de 0,2% à 3% de molybdène, élément améliorant la résistance à la corrosion et favorisant la formation de la ferrite. Dans le domaine de leur utilisation, les aciers inoxydables ferritiques posent des problèmes d'usinabilité.
En effet, un gros inconvénient des aciers ferritiques est la mauvaise conformation du copeau. Ils produisent des copeaux longs et enchevêtrés, qui sont très difficiles à fragmenter. Cet inconvénient peut devenir très pénalisant dans des modes d'usinages où le copeau est confiné, comme par exemple dans le perçage profond, le tronçonnage.
Une solution apportée pour pallier les problèmes d'usinage des aciers ferritiques est d'introduire du soufre dans leur composition ou des éléments du type plomb, tellure, sélénium qui nuisent soit aux propriétés mécaniques de déformation à froid de résistance à la corrosion, soit aux propriétés magnétiques. Lesdits aciers ferritiques contiennent habituellement des inclusions dures de type chromite (Cr Mn, Al Ti)0, alumine (AIMg)O, silicate (SiMn)O, abrasives pour les outils de coupe.
Selon l'invention, l'acier inoxydable ferritique peut contenir en outre dans sa composition en poids plus de 30 10-4% calcium et plus de 70 10"4% d'oxygène.
L'introduction de façon contrôlée et volontaire de calcium et d'oxygène vérifiant la relation 0,2 < Ca/O < 0,6 favorise dans l'acier ferritique, la formation d'oxydes malléables du type silicoaluminates de chaux comme présenté sur la figure 1 qui est un diagramme ternaire AI2O3 ; Siθ2 ; CaO, les oxydes malléables étant choisis dans la zone du point triple anorthite, gehlenite, pseudo-wollastonite. La présence de calcium et oxygène réduit de façon conséquente la formation des inclusions dures et abrasives de type chromite, alumine, silicate. Par contre, la formation des inclusions de silicoaluminates de chaux favorise le fractionnement des copeaux et améliore la durée de vie des outils de coupe.
On a constaté que l'introduction d'oxydes à base de calcium dans un acier de structure ferritique, en remplacement des oxydes durs existants, ne modifie que très peu les autres caractéristiques de l'acier ferritique dans le domaine de la déformation à chaud, de la frappe à froid, la résistance à la corrosion et propriétés magnétiques.
Il s'est avéré qu'un acier de structure ferritique selon l'invention, ne contenant pas ou très peu de soufre, a un usinage assurant son utilisation industrielle en décolletage, tout en présentant une résistance accrue à la corrosion. La présence d'oxydes dits malléables dans un acier ferritique, entraîne des avantages dans le domaine du tréfilage et étirage.
En effet, les oxydes malléables sont susceptibles de se déformer dans le sens du laminage, alors que les oxydes durs qu'ils remplacent restent en forme de grains. Dans le domaine du tréfilage de fils d'acier ferritique de faible diamètre, les inclusions choisies selon l'invention réduisent de manière conséquente le taux de casse du fil tréfilé.
Dans un autre domaine d'application, par exemple dans des opérations de polissage, les inclusions dures s'incrustent dans l'acier ferritique et provoquent des sillons en surface.
L'acier ferritique, selon l'invention comportant des inclusions malléables, peut être poli avec beaucoup plus d'aisance pour l'obtention d'un état de surface poli amélioré.
L'acier est élaboré par fusion électrique puis coulé en continu pour former des blooms.
Les blooms sont ensuite soumis à un laminage à chaud pour la formation, par exemple de fil machine ou de barres. Un recuit est nécessaire pour assurer les opérations de transformation à froid du produit par exemple tréfilage et étirage.
L'acier est soumis à un recuit complémentaire de recristallisation pour restaurer et parfaire les propriétés magnétiques.
Suit alors un traitement de surface.
Dans un exemple d'application, il a été élaboré deux aciers selon l'invention référencés acier 1 et acier 2, ainsi que deux aciers de référence A et B dont les compositions sont représentées dans le tableau 1 suivant :
Tableau 1 :
Figure imgf000009_0001
Ces aciers ont été transformés en barres de diamètre 10 mm selon le procédé suivant :
- un laminage à chaud de rond de 11 mm,
- un recuit,
- un étirage en diamètre de 10 mm,
- un recuit final,
- un dressage et une rectification, puis ils ont été caractérisés en propriétés magnétiques en usinabilité, en frappe à froid et en corrosion.
Les aciers selon l'invention ont de meilleures caractéristiques magnétiques que les aciers de référence, comme présenté sur le tableau 2 suivant.
Tableau 2.
Figure imgf000009_0002
Ces caractéristiques sont dues à une faible teneur en éléments d'addition en particulier une teneur en chrome d'environ 12%.
L'acier 2 se comporte très bien dans le domaine de l'usinage par décolletage, malgré une teneur limitée en soufre. Cela s'explique par la présence de calcium et d'oxygène.
L'acier 1 présente une très bonne aptitude à la frappe à froid, en raison de sa faible teneur en soufre. Sur des pièces préalablement frappées, l'usinage de finition par décolletage s'effectue de manière correcte, sans problème particulier.
Les aciers 1 et 2 se comportent très bien dans le domaine de la corrosion, malgré leur faible teneur en chrome, comme on peut le remarquer sur le tableau 3 suivant. Cela est du pour l'acier 1 à une faible teneur en soufre et pour l'acier 2 à une teneur limitée en soufre associé à une faible teneur en manganèse.
Tableau 3.
Figure imgf000010_0001
L'acier selon l'invention est utilisable particulièrement pour la fabrication de pièce ferromagnétique comme par exemple, des pièces d'électrovannes, d'injecteur pour système d'injection directe d'essence, de fermetures centralisées de porte dans le domaine de l'automobile ou toute application nécessitant des pièces du type noyau magnétique ou inducteur. Sous la forme de feuille, il peut être utilisé dans des transformateurs de courant ou des blindages magnétiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Acier inoxydable ferritique utilisable pour des pièces ferromagnétiques caractérisé en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale : 0% < C < 0,030%
1 % < Si < 3% 0% < Mn < 0,5% 10% < Cr < 13% 0% <Ni < 0,5% 0% < Mo < 3%
N < 0,030% Cu < 0,5% Ti < 0,5% Nb ≤ 1% Ca ≥ 1 10^%
O ≥ 10 10-4% S < 0,030% P < 0,030% le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
2. Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce que la composition pondérale comporte en outre du calcium et de l'oxygène de manière que :
Ca>30 10-4% O >70 10"4%
3. Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport entre la teneur en calcium et en oxygène Ca/O est :
0,2 < Ca/O < 0,6
4. Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il contient des inclusions de silico-aluminale de chaux de type anorthite et ou pseudo- wollastonite et/ou gehlénite.
5. Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale :
C< 0,012% 1% < Si < 3%
0 < Mn < 0,4% 10%<Cr<13% 0% < Ni < 0,2% 0,2% < Mo < 2% N< 0,015%
Cu < 0,2%
Ti < 0,2%
Nb<1%
Ca>3010"4% O> 7010-4%
S < 0,003%
P < 0,030% le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration.
6. Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale :
0%<C<0,012%
1 % < Si ≤ 3% 0 < Mn < 0,4% 10%<Cr<13%
0% < Ni < 0,2%
0,2% < Mo < 2%
N< 0,015%
Cu < 0,2% Ti < 0,2%
Nb<1%
Ca>3010"4% O ≥ 70 10-4% 0,015 < S < 0,03% P < 0,030% le reste étant du fer et les impuretés inévitables à l'élaboration de l'acier.
7. Procédé d'élaboration d'un acier ferritique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'acier est soumis, après laminage à chaud et refroidissement, à un traitement thermique de recuit puis à une modification de section du type tréfilage ou étirage.
8. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'acier tréfilé ou étiré peut être ultérieurement soumis à un recuit complémentaire de recristallisation pour parfaire les propriétés magnétiques de la pièce.
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