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Numéro
Matériaux & Techniques
Volume 108, Numéro 1, 2020
Numéro d'article 105
Nombre de pages 16
Section Métaux et alliages / Metals and alloys
DOI https://doi.org/10.1051/mattech/2020016
Publié en ligne 19 juin 2020

© SCF, 2020

1 Introduction

Même pour les applications les plus courantes, les aciers inoxydables doivent présenter, de façon impérative, un état de surface irréprochable et une grande propreté inclusionnaire. L’état de surface du produit final est largement conditionné d’abord par les techniques de coulée et de mise en forme, et ensuite par le contenu inclusionnaire. La coulée en lingots fut la première méthode appliquée pour solidifier le métal : en source ou en chute sous laitier. Cette dernière technique, si elle résolvait élégamment une bonne partie des problèmes liés aux exigences d’état de surface, posait le problème du contenu inclusionnaire spécifique à ce mode de coulée.

Vers les années 1970, la technique de coulée continue avait suffisamment progressé pour s’étendre d’abord aux produits plats puis vers 1978 aux produits longs en aciers inoxydables. Elle permit, outre la simplification des opérations de mise en forme à chaud par la suppression de l’étape blooming/slabbing, un meilleur contrôle des hétérogénéités et de la répartition des défauts. La solidification des aciers inoxydables, particulièrement des austénites, est complexe, même pour les nuances les plus courantes, avec des risques d’apparition de phases nocives pour la déformation à chaud. La maîtrise de la coulée continue à nécessité une compréhension approfondie des phénomènes métallurgiques se manifestant en cours de solidification.

Peut-être plus critique que pour les aciers au carbone, la question du choix « coulée continue vs lingots » (c’est-à-dire aussi de la mise en forme en aval) pour les produits plats inoxydables, dépendait du carnet de nuances coulées, des quantités produites, et des accès aux outils de laminage à chaud. Les nuances ferritiques par leur comportement à l’emboutissage ont été un point dur dans l’application de la coulée continue. Le laminoir Steckel a été utilisé pour des fabrications de produits plats en quantités limitées, mais il a été remplacé par le train à bandes (TAB) traitant uniquement des volumes importants.

Pour garantir un bon état de surface, un parachèvement très important des produits bruts de coulée a longtemps été nécessaire (la coulée continue des produits plats en aciers inoxydables a débuté avec un meulage à près de 100 % de la surface des brames coulées).

La mise en forme à chaud des aciers inoxydables doit faire face à des problèmes spécifiques : état structural brut de coulée, résistance à chaud élevée des austénites très alliées, aciers biphasés (duplex), trou de ductilité à chaud (impuretés, précipitations inter-granulaires). Pour traiter l’ensemble de ces problèmes, UGINE avait instauré un contrôle systématique par des essais de forgeabilité, sur chaque coulée.

La transformation à froid doit assurer un niveau d’écrouissage qui fixe les caractéristiques mécaniques et un état de surface irréprochable (laminoir Sendzimir et skin-pass pour les produits plats).

2 La coulée des aciers inoxydables

Suite à un article de synthèse sur la coulée continue [14], où a été traité l’ensemble des problèmes posés par la coulée continue (CC) des aciers, nous souhaitons, ici, seulement rappeler quelques dates et faits significatifs qui jalonnent l’évolution de la production des aciers inoxydables en France et mentionner certaines considérations métallurgiques qui rendent quelque peu singulière la coulée des aciers inoxydables.

2.1 Historique

Les principales étapes de développement dans la coulée des aciers inoxydables sont les suivantes :

  • la coulée des lingots sous laitier dans les usines de la société UGINE de Moutiers (Savoie) et L’Ardoise (Gard), pour produits longs et produits plats. Il s’agissait de couler en chute (c’est-à-dire en remplissant la lingotière par le haut) l’acier inoxydable dans une lingotière préalablement remplie de laitier liquide. L’acier coulé déplaçait le laitier qui était récupéré par débordement au niveau de la masselotte. Deux types de laitiers (fondus dans un four à arc spécialisé) étaient utilisés : un laitier siliceux pour les nuances non stabilisées au Ti, un laitier alumineux (type Perrin à 50 % Al2O3, 50 % CaO, non réductible par le Ti) pour les nuances stabilisées. Ce mode de coulée avait deux avantages : d’une part l’obtention d’une excellente qualité de peau, approchant celle des lingots refondus ESR (technique qui ne serait disponible que plus tard), d’autre part une très faible masselotte résultant du maintien à la tête du lingot d’une couche liquide de laitier jouant le rôle d’isolant [7]. La première caractéristique était particulièrement importante compte tenu de la qualité de surface exigée par les produits en aciers inoxydables, mais cette technique n’était pas sans conséquences sur la propreté inclusionnaire interne du matériau coulé (notamment en pieds des lingots) puisqu’elle réactivait tardivement une très forte interaction métal/laitier sans guère de possibilités de décantation. Il convient cependant de souligner le rôle précurseur de cette méthode de coulée mise au point par UGINE, puisqu’elle anticipait (certes avec moins de moyens de contrôle) deux techniques qui seraient décisives dans l’amélioration de la qualité de surface des produits coulés : la poudre de coulée introduite en lingotière de coulée continue pour lubrifier le contact acier/lingotière [14], la refusion ESR. La coulée en lingots (méplats pour les produits plats, carrés pour les produits longs) supposait un dégrossissage au blooming pour les produits longs et au slabbing pour les produits plats et donc un laminage en deux chaudes pour aboutir aux produits finaux (bobines de tôles, billettes, barres, couronnes de fil). Les autres usines productrices d’aciers inoxydables coulaient leurs lingots en source (alimentation des lingotières par le bas) avec masselottage exothermique traditionnel ;

  • le passage en coulée continue (CC) en France se fera à partir des années 1970 avec successivement :

  • en produits plats, la coulée continue à Isbergues par la société Chatillon, Commentry Biache (CCB) en 1971 et celle de l’Ardoise chez Ugine en 1983 ;

  • en produits longs, la CC rotative à Imphy (deux lignes en Ф100/160), en 1978, et à Ugine (trois lignes verticales en 205 × 205 mm2), en 1979.

Le schéma de la machine de coulée continue d’UGITECH est donné à la figure 1.

Ces passages en CC permettront de s’affranchir de l’étape dégrossissage du laminage à chaud, (la production des aciers inoxydables suivait ainsi la même évolution que celle des aciers courants).

Après l’arrêt des aciéries de l’Ardoise en 2003 et d’Isbergues en 2006, la concentration de la phase liquide pour produits plats se fit sur la nouvelle aciérie productrice d’aciers inoxydables de 1 Mt de capacité d’ARCELOR à Chatelet (Charleroi/Belgique). Cette usine opérera ensuite sous le nom d’APERAM. Elle s’ajoutait à l’aciérie de Genk, pour atteindre une capacité cumulée de près de 2 millions de tonnes de brames en aciers inoxydables se déversant sur le TAB de Chatelet.

Les caractéristiques des deux aciérie APERAM (Chatelet, et Genk), typiques d’une filière produits plats pour aciers inoxydables, sont regroupées au tableau 1. On notera la capacité de production de chacune des deux aciéries (850 kt/an), la taille du four électrique de fusion (160t) de l’aciérie de Chatelet, qui le situe parmi les plus gros fours électriques en service ainsi que le format maximal des brames coulées (200 mm d’épaisseur, 1600 mm de large et 20t de poids unitaire). La filière électrique rivalisait désormais pleinement en capacité de production avec les filières s’appuyant sur une aciérie de conversion (Partie II, Sect. 4 [6]).

Afin de mieux éclairer l’histoire de notre sidérurgie, il est utile de rappeler les interférences de la filière de production de produits plats inoxydables d’UGINE avec les choix techniques faits lors de la construction de l’usine SOLMER de FOS/Mer. Jusqu’aux années 1970, UGINE faisait laminer ses lingots méplats, destinés aux produits plats en aciers inoxydables, provenant de ses usines de Moutiers et de l’Ardoise, sur le train à chaud de Florange en Lorraine. Associée dès le départ au projet Fos, UGINE comptait bien y disposer, à proximité de l’usine de l’Ardoise, d’un moyen pour dégrossir ses lingots. Elle ne souhaitait pas abandonner la voie lingots pour une filière CC, compte tenu des avantages qualitatifs de la coulée sous laitier qu’elle pratiquait, et des difficultés que rencontraient les producteurs, déjà passés en CC, avec la qualité des produits plats ferritiques (chiffonnage, annexe B). Elle pesa donc pour le choix par SOLMER d’une filière lingots + slabbing alors que les ingénieurs de SOLLAC faisaient le tour du monde pour évaluer la filière coulée continue appliquée aux produits plats bas carbone non alliés, que Dunkerque était déjà en coulée continue, et qu’Isbergues avait démarré en 1971 sa coulée continue de brames en aciers inoxydables. Bien sûr, d’autres facteurs joueront aussi dans les choix techniques initiaux (lingots + slabbing) faits par SOLMER y compris le souhait d’y couler aussi des aciers effervescents (difficilement coulables en coulée continue mais qui allaient rapidement disparaître des catalogues de nuances d’aciers au carbone) [14]. Le passage en coulée continue de SOLMER (sur aciers au carbone) se fera en 1975.

thumbnail Fig. 1

Machine de coulée continue verticale de l’aciérie d’UGITECH [8]. Trois lignes au format 205 × 205 mm2.

Vertical CC machine of UGITECH steel-plant.

Tableau 1

Equipements du complexe de production de produits plats inoxydables de la société APERAM en Belgique (bassin de Charleroi) : aciéries du Châtelet et de Genk, train continu à bandes [11].

APERAM production facilities in Belgium, for stainless steel flat products: Châtelet and Genk steel making plants and continuous hot strip mill.

2.2 Considérations métallurgiques sur la solidification des aciers inoxydables

Le passage en coulée continue des aciers inoxydables devait prendre en considération deux problèmes spécifiques à ces aciers :

  • les grandes exigences pour la qualité de surface des produits finis (notamment en produits plats minces qui n’existent que pour créer de la surface) puisque tout défaut de surface était rédhibitoire non seulement pour la tenue à la corrosion, mais encore pour l’aspect final (applications à la décoration, à la platerie, à l’électroménager…). La maîtrise de la qualité de la surface du produit sortant de la machine de CC était donc capitale, alors que la régularité de la qualité de la peau formée en lingotière par le mécanisme d’oscillation était un des problèmes qualitatifs majeurs de la CC des aciers. Rappelons que la CC des produits plats en aciers inoxydables a commencé avec un meulage à près de 100 % des brames coulées (la réparation de surface des produits sidérurgiques inoxydables, du fait de la présence de chrome, ne peut se faire que par meulage et non par scarfing au chalumeau comme sur les produits faiblement alliés) ;

  • les caractéristiques mécaniques à chaud (résistance élevée à la déformation à chaud des austénites très alliées, à l’inverse de la faible résistance à la déformation à chaud des produits ferritiques) et le trou de ductilité des austénites très alliées au voisinage de 1000 °C. Ces considérations étaient déterminantes sur le choix d’une politique de décintrage sur une machine de coulée courbe. Elles expliquent qu’en produits longs, où les nuances sont plus diversifiées et plus délicates à déformer (austénites très alliées, et austéno-ferritiques), les aciéristes fassent très souvent, pour les aciers inoxydables, le choix d’une machine de coulée verticale pour s’affranchir de tous les problèmes d’endommagement liés au décintrage.

L’annexe A expose la complexité de la solidification commençante des nuances austénitiques, sous la dépendance de l’équilibre entre éléments ferritisant (Cr, Si, Mo…) et austénitisant (Ni, Mn, C, N…). Cette complexité est à l’origine de la plus ou moins grande présence de ferrite δ dans les produits austénitiques bruts de coulée.

La coulée continue, sur machines à brames, des nuances ferritiques pour produits plats minces, a posé quelques difficiles problèmes liés aux défauts, désignés par les termes cordage/chiffonnage, apparaissant lors de l’emboutissage de ces produits après leur laminage à froid (Sect. 4.1.2). Ce problème, traité dans ses composantes métallurgiques à l’annexe B, dépendait principalement des structures colonnaires apparaissant à la solidification au niveau de la lingotière de la machine de CC. Ces structures étaient beaucoup plus développées dans la voie CC que dans la voie lingot et étaient aussi beaucoup moins atténuées au laminage à chaud, puisqu’avec le passage en CC, l’étape du dégrossissage au blooming disparaissait. La réduction de l’importance des zones colonnaires dans les structures brutes de coulée issues de CC sera obtenue par l’application du brassage électromagnétique à la lingotière à brames et par la limitation de la surchauffe en lingotière. Il en résultera une amélioration du comportement à l’emboutissage des nuances ferritiques. Ce problème qualitatif majeur pour les nuances ferritiques est pour partie à l’origine du passage différé en CC (comparé à celui d’Isbergues) de l’usine de l’Ardoise.

2.3 Coulée de bandes

La coulée de bandes (Strip-Casting) directement bobinables en coils en sortie de machine de coulée est une des dernières percées technologiques en matière de coulée des aciers. Elle représente l’ultime simplification de la gamme de production des bobines de tôles à chaud, puisque qu’elle entraîne la disparition des opérations de laminage à chaud (à l’exception d’une cage quarto en ligne avec la machine de coulée). On se référera à l’article coulée continue pour la description du procédé [14]. Ce procédé a notamment fonctionné sur aciers inoxydables de manière préindustrielle à l’aciérie ARCELOR d’Isbergues, puis chez Thyssen-Krupp-Nirosta (TKN) à Krefeld en Allemagne et dans quelques autres sidérurgies (Japon, Corée, USA, Chine…). C’est la société NUCOR (dans ses usines de Crawfordville et Blytheville, USA) qui semble la plus avancée puisqu’elle y exploite (avec des poches de 100t) deux lignes préindustrielles et deux lignes de production sur aciers non alliés bas carbone. Des trois sociétés qui exploitèrent de telles machines pour la coulée des aciers inoxydables (TKN Krefeld, Nippon Steel Hikari, Posco à Pohang en Corée), seule la dernière continue à exploiter le procédé sur inox [9]. La coulée de bandes n’a donc pas encore connu le développement industriel escompté ; notre article de synthèse sur la coulée continue [14] présente quelques plausibles raisons de ce retard à l’industrialisation.

2.4 Aciers inoxydables moulés

Ce type de production concerne avant tout les grosses pièces de forme, jusqu’à quelques tonnes (industries nucléaire et chimique). Les fonderies, pour l’élaboration en phase liquide, sont généralement équipées comme les aciéries pour produits laminés : four électrique de fusion et cornue AOD. Les aciers utilisés sont les nuances martensitiques, austénitiques et austéno-ferritiques (duplex). Les nuances duplex ont d’abord été produites en moulés avant que l’on sache les laminer. Le site suivant décrit les nuances inoxydables (et base Ni) pour la fonderie :

Castings – Stainless Steel and Nickel-Base – Stainless Steel World.

www.stainless-steel-world.net/pdf/11022.pdf.

3 Mise en forme à chaud des aciers inoxydables

La mise en forme à chaud des aciers inoxydables a longtemps posé des problèmes particuliers, largement ignorés dans la métallurgie des aciers au carbone. Il en résulta longtemps des mises en forme spécifiques aux aciers inoxydables qui compliquaient les gammes de production : dégrossissage des lingots à la presse à forger avant leur laminage, fabrication des tubes par filage à chaud, etc. Ces spécificités s’effacèrent progressivement à partir des années 1970 avec les progrès qualitatifs issus des affinages AOD et VOD, une meilleure compréhension des phénomènes métallurgiques en jeu et le perfectionnement des outils de transformation à chaud.

3.1 Problématique générale

Le dégrossissage des produits coulés en aciers inoxydables et tout particulièrement celui des lingots en nuances austénitiques posa longtemps des problèmes qui imposèrent aux producteurs d’aciers inoxydables des précautions particulières, pour éviter l’apparition de criques lors des premières passes de la déformation à chaud. Ces précautions étaient la conséquence de caractéristiques mécaniques à chaud déficientes imposées par l’état structural du matériau et résultant pour partie d’un état brut de coulée naturellement hétérogène (ségrégations, précipitations, biphasage, taille des grains primaires, porosités).

3.2 L’importance de l’état structural brut de coulée sur la déformation à chaud

Les phénomènes principaux affectant la déformation à chaud des aciers inoxydables austénitiques sont la forte résistance à la déformation et la perte de ductilité à haute température liées à l’hérédité de la solidification.

Les austénites fortement alliées ont des résistances à chaud très supérieures aux austénites non alliées ce qui exigeait des bloomings une puissance suffisante. D’autre part, les austénites les plus alliées (aciers super-austénitiques et aciers austénitiques réfractaires) ont une température de brûlure1 plus basse qu’un acier austénitique type 304, ce qui implique une température de début de laminage (température de sortie du four de réchauffage) plus basse et donc des efforts très élevés sur les cages de laminage lors de la transformation à chaud. Cette température de brûlure est liée aux ségrégations mineures (C, N, S, P, Si, Cu…) dans les espaces interdendritiques en fin de solidification. Si la température de laminage est trop élevée, il y aura fusion locale (brûlure) et risque de rupture intergranulaire sous faible charge.

La pratique du réchauffage du lingot (la courbe de montée en température) n’était pas sans influence sur son comportement lors du laminage puisqu’elle pouvait accentuer les précipitations intergranulaires fragilisantes par le séjour du produit dans la zone de température critique pour la précipitation.

Les séquences de solidification des nuances austénitiques (18/8) avec solidification commençante en δ ou en γ, selon leur équilibrage en éléments gammagènes et alphagènes, ont des conséquences sur la transformation à chaud par leur influence sur les phases en présence (ferrite δ pouvant se transformer en phase σ fragilisante, notamment dans les nuances présentant des teneurs élevées en Cr et Mo) pouvant contribuer à l’affaiblissement de la ductilité à chaud du matériau aux températures de mise en forme. Dans les nuances fortement biphasées (ferrite/austénite) à l’état brut de coulée, la distribution spatiale du biphasage et la grande différence entre les propriétés mécaniques à chaud des deux phases compliquent sérieusement la mise en forme à chaud. Cela reste particulièrement valable pour la transformation à chaud des nuances dites duplex, austéno-ferritiques à plus de 50 % de ferrite dans l’état brut de coulée. Les nuances dont la solidification est totalement austénitique sont aussi très difficile à laminer à chaud du fait des ségrégations des éléments mineurs (voir Sect. 3.2).

3.3 L’essai de forgeabilité en suivi de fabrication pour piloter la mise en forme à chaud

Pour apprécier les risques encourus lors du dégrossissage, UGINE, tant que ses usines ont coulé les aciers inoxydables en lingots, a procédé, sur éprouvettes corroyées prélevées dans des barreaux issus de lingotins témoins, à des essais de forgeabilité en traction à chaud sur toutes les coulées sortant de ses aciéries, pour apprécier la profondeur et l’extension du trou de ductilité, ainsi que la température de brûlure. Il est instructif de pointer quelques défaillances de ductilité à chaud des aciers austénitiques et leurs conséquences :

  • un excès de ferrite δ héritée de la solidification pouvait en se transformant en phase σ, par un maintien du lingot dans une zone inadéquate de température, gravement affecter la ductilité à chaud. C’était particulièrement vrai pour les nuances très riches en chrome ou contenant du molybdène. Par exemple, les lingots en nuances de type 24 % Cr, 12 % Ni très riches en ferrite δ, destinées à la fabrication des baguettes de soudure, ne pouvaient être dégrossis au blooming et devaient subir un précorroyage à la presse à forger, afin de faire autant de retour que nécessaire au four de réchauffage pour éviter la déformation dans une zone de température critique ;

  • le manque de ductilité pouvait être la conséquence de précipitations nocives, aux joints de grains. À une époque où faute de métallurgie secondaire évoluée les teneurs en soufre n’étaient pas très basses et l’azote mal contrôlé, il était important de se prémunir contre des précipitations intergranulaires de sulfures et nitrures par l’addition au bain, lors de la désoxydation finale, d’éléments tels que Ca, Mg, B… ;

  • le manque de ductilité à chaud pouvait être aussi le résultat de la présence d’impuretés dans la charge du four de fusion : Bi, Pb, Sn… à l’origine de phases à bas point de fusion entraînant la décohésion du métal lors de la déformation à chaud (« brûlure »).

On comprend donc que la vérification systématique, par un essai de forgeabilité, de la ductilité à chaud du métal produit à l’aciérie permettait, non seulement d’alerter les lamineurs sur de possibles difficultés à la transformation à chaud et de prévoir des mesures palliatives, mais encore à l’aciérie de corriger toute dérive dans ses pratiques de désoxydation (Al, Ca, Mg, B…) ou de détecter une pollution anormale de ses ferrailles.

Les figures 25 illustrent divers aspects de ce problème de forgeabilité.

Longtemps après l’apparition des nuances austéno-ferritiques dites « duplex », leur transformation à chaud est restée suffisamment problématique pour qu’elles ne soient mises en oeuvre que dans des pièces moulées.

thumbnail Fig. 2

Essai de forgeabilité par traction à chaud [8].

Hot tensile test for ductility evaluation.

thumbnail Fig. 3

Trou de ductilité lié au diphasage [8].

Low hot ductility resulting from mixed structures.

thumbnail Fig. 4

Décohésion dans une matrice austénitique en relation avec des îlots de ferrite [8].

Cracks occuring on ferrite islands in austenitic matrix.

thumbnail Fig. 5

Effet de la teneur en plomb sur la forgeabilité [8].

Effect of Pb content on hot ductility.

3.4 Les progrès en matière de transformation à chaud

Des investigations encore plus approfondies autour de la ductilité à chaud des nuances les plus critiques (essais de torsion à chaud et analyses MEB des précipités aux joints de grains), en même temps que des progrès décisifs en matière d’élaboration, ont permis de maîtriser les phénomènes décrits précédemment et de concentrer les développements en matière de laminage à chaud :

  • pour les produits plats, sur le laminage contrôlé au train à bandes permettant de garder sous contrôle la taille de grains et de limiter les structures de bandes ;

  • pour les produits longs, sur une simplification des gammes de laminage en échappant au laminage traditionnel en deux chaudes (blooming et train finisseur). Le passage en coulée continue avec la réduction des formats coulés a permis d’accéder directement à des trains continus laminant en une seule chaude les blooms de CC en barres ou en couronnes de fil. Ces trains combinés à produits longs, sont équipés de dispositifs permettant d’accompagner les transformations métallurgiques souhaitées : réchauffage inductif en ligne, refroidissement contrôlé, hypertrempe (Partie I, Annexe B [5]), etc.

La figure 6 donne le schéma du train combiné à barres et à fils d’UGITECH. Les diverses sorties correspondent aux diverses plages de sections produites. La figure 7 montre la sortie des spires de fil sur ce même train.

thumbnail Fig. 6

Schéma du train combiné à barres et à fils d’UGITECH [8].

UGITECH combined rolling mill.

thumbnail Fig. 7

Sortie des spires de fil sur le train d’UGITECH [8].

Wire exit on UGITECH combined rolling mill.

3.5 La spécificité de la transformation à chaud des produits plats

3.5.1 Le train continu à bandes (TAB)

L’outil central est le plus souvent le train à bandes à chaud (TAB) d’une usine intégrée. Ces trains furent d’abord alimentés avec des brames issues d’un slabbing qui dégrossissait des lingots méplats issus du bassin de coulée de l’aciérie, puis plus tard par des brames issues de la coulée continue. La figure 8 représentative du train à bandes de Kawasaki-Chiba [10], donne le schéma d’un tel équipement de laminage à chaud produisant des bobines (coils). On y mesure la lourdeur et la complexité de l’équipement puisqu’il comprend en ligne, en aval des fours de réchauffage des brames :

  • une presse de préformage ;

  • une zone dégrossisseuse avec une cage duo et deux cages quarto ;

  • une zone de finition avec 7 cages quarto ;

  • une zone de refroidissement contrôlé ;

  • les bobineuses.

Le TAB de Chatelet d’APERAM (Belgique) (capacité 2,5 Mt/an) qui lamine à chaud les brames en aciers inoxydables en provenance des aciérie de Chatelet et de Genk comporte (Tab. 1) :

  • 3 fours de réchauffage à brames ;

  • un dégrossisseur réversible ;

  • 7 cages finisseuses ;

  • 2 bobineuses.

Il s’étend sur 1 km de long et accepte des produits jusqu’à 2 m de large. La figure 9 est une vue (coté cages finisseuses) de ce train à bandes d’APERAM.

thumbnail Fig. 8

Schéma du train à bandes de KAWASAKI/Chiba [10]. Fr : four de réchauffage ; P : presse de calibrage ; R1-R3 : duo et quartos ébaucheurs ; B1 : bobineuse à largets ; S : soudage ; F1-F7 : quartos finisseurs ; R : zone de refroidissement ; D : découpe ; Bb : bobineuses.

Hot strip rolling at Kawasaki/Chiba.

thumbnail Fig. 9 Cages finisseuses du train continu à bandes d’APERAM [11].

Au premier plan les cylindres de remplacement, au second plan, les cages de laminage, en arrière-plan le produit sortant du laminoir.

Finisihing section of APERAM hot strip rolling mill.

3.5.2 Le laminoir à chaud Steckel

Le laminoir Steckel du nom de son inventeur (1925) (de la société Youngstown Steel Ohio/USA) fut d’abord utilisé pour le laminage à froid d’aciers plats au carbone. Il fut marginalisé après la 2e guerre mondiale, par le développement du train continu à bandes (TAB), du fait de l’augmentation de la demande en produits plats en aciers au carbone (développement de l’industrie automobile). À partir des années 1970, les tonnages en inox encore limités sont loin de saturer la capacité de production d’un TAB (au coût d’investissement considérable) et les producteurs de produits plats en inox doivent le partager avec un producteur de produits plats au carbone (cas d’Ugine/l’Ardoise faisant laminer à Solmer/Fos et de CCB/Isbergues faisant laminer en Belgique chez CARLAM, qui deviendra APERAM). Cette dépendance des producteurs de produits plats inoxydables vis-à-vis de l’accès à un TAB, a pu être tournée grâce au laminoir Steckel à chaud (Fig. 10), adapté aux besoins de producteurs de taille moyenne.

Dans une telle filière, la brame issue de la coulée continue est d’abord dégrossie, après réchauffage, dans un quarto réversible. Le produit entre ensuite dans le laminoir Steckel qui est un quarto réversible équipé, aux deux extrémités de la table de laminage, de bobineuses placées dans des fours de maintien permettant de conserver à la bande la température requise pour son laminage. L’épaisseur finale est obtenue par passages successifs, dans un sens et dans l’autre, de la bande dans l’emprise du quarto.

Jusqu’aux années 1970, le procédé afficha quelques sérieuses faiblesses qualitatives par rapport aux performances du TAB :

  • irrégularité des épaisseurs (sens travers et sens long) ;

  • état de surface médiocre ;

  • dispersion des propriétés mécaniques du produit livré ;

  • relative inefficacité du réchauffage des bobines.

À partir des années 1970 le procédé fut considérablement amélioré et instrumenté, en même temps qu’on élargissait la gamme des formats livrés. À la fin des années 1970, une vingtaine de laminoirs Steckel étaient en service dans le monde. Plus tard des laminoirs Steckel furent installés au Brésil (l’usine APERAM d’Acesita en est équipée), aux USA, en Afrique du Sud pour des productions d’aciers inoxydables. Cependant la taille croissante des unités de production en produits plats inoxydables, résultant de la forte demande en ces produits, les rapprochait progressivement des capacités d’un TAB ; un tel équipement, dédié aux aciers inoxydables, devenait donc envisageable pour nombre de producteurs. Le laminoir Steckel conservait cependant tout son intérêt soit pour des producteurs de taille limitée n’ayant pas accès à un TAB, soit comme procédé de niche pour des produits très spécifiques livrés en faible tonnage.

thumbnail Fig. 10

Laminoir à chaud Steckel pour produits plats [12].

Steckel rolling mill.

3.6 Fabrication des tubes en aciers inoxydables

La fabrication des tubes sans soudure en aciers inoxydables mérite un examen particulier. Les difficultés de mise en forme des aciers inoxydables austénitiques liées à leurs caractéristiques à chaud (résistance à la déformation et ductilité déficiente) ne permettaient pas de transformer, dans de bonnes conditions, ces aciers en tubes sur les laminoirs à chaud traditionnels des tuberies (laminoir perceur sur mandrin et laminoir calibreur). Le problème était d’autant plus aigu que la production d’énergie, l’industrie chimique et l’industrie pétrolière avaient des besoins croissants, pour leurs réseaux de canalisations diverses, de tubes sans soudure, en matériaux inoxydables performants à la fois en tenue à la corrosion dans des milieux très divers et en caractéristiques mécaniques, y compris à chaud. Un procédé spécifique dut être mis au point permettant de faire cette transformation en tubes (le perçage à chaud essentiellement) dans des conditions peu endommageantes pour les parois du tube. L’idée originale fut de travailler le métal avec un procédé essentiellement en compression comme le filage à chaud mais en diminuant sensiblement les efforts à la peau, lors du passage du produit dans la filière, par une lubrification au verre. Cette lubrification au verre avait aussi l’avantage d’interposer une couche thermiquement isolante entre la surface en cours de déformation du lopin d’acier et l’outillage et contribuait donc au maintien de la surface du lopin dans la plage thermique de bonne ductilité. Ce fut le procédé Ugine-Séjournet (1935) d’abord utilisé pour l’extrusion à chaud de profilés pleins. Pour la production de tubes, l’opération de mise en forme à la presse se décompose en deux étapes successives de déformation à chaud (Fig. 11) :

  • le perçage (au moyen d’une « aiguille ») du lopin cylindrique d’acier prélevé dans une barre pleine laminée (partie supérieure de la Fig. 11) ;

  • le filage du lopin percé (partie inférieure de la Fig. 11).

La société VALLOUREC s’intéressa au procédé dès 1950 pour la fabrication de ses tubes sans soudure en aciers inoxydables, au point de devenir en 1977 majoritaire dans la société CEFILAC (qui mettait en œuvre le procédé). Cette société devenait ainsi filiale de VALTUBES (sous le nom de CEFIVAL) avec deux presses à filer à chaud, l’une à Persan (Val d’Oise) et l’autre à Montbard (Côte d’Or). VALLOUREC cédera en 2002 sa participation dans CEFIVAL à la société italienne METALLURGICA CALVI, qui se consacrera au filage d’alliages ou de profils très spéciaux.

En effet, ce procédé de filage avait une productivité notablement plus faible que celle d’un laminoir continu à tubes, d’autre part les progrès dans l’élaboration des aciers inoxydables (nuances à très bas soufre, à désoxydation parfaitement contrôlée) et dans les performances des laminoirs à tubes, ont permis de transférer ces fabrications au moins dans les nuances inoxydables courantes, sur ces laminoirs. Cependant une part significative des nuances très délicates du point de vue de la transformation à chaud, telles les nuances super-austénitiques et les nuances duplex, est encore souvent coulée en lingots et dégrossie à la forge avant d’être transformée sur les laminoirs à tubes.

thumbnail Fig. 11

Schéma des opérations de filage à chaud des tubes en aciers inoxydables selon le procédé Ugine-Séjournet [13]. A : perçage à chaud du lopin ; B : filage à chaud du tube.

Ugine-Séjournet hot extruding process.

3.7 Le forgeage des aciers inoxydables

Certaines pièces de la mécanique lourde, en raison, soit de leurs tailles, soit de leurs formes, soit du comportement en transformation à chaud de la nuance spécifiée, ne peuvent être mises en forme que par forgeage à chaud à la presse, soit à partir de gros ronds laminés, soit à partir de lingots ou de blooms issus de coulée continue. Les gammes de forgeage appliquées doivent tenir compte, pour les nuances austénitiques, des difficultés à la mise en forme évoquées précédemment :

  • résistance à la déformation à chaud des austénites très alliées ;

  • trou de ductilité à chaud, imposant des retours judicieux au four de réchauffage pour éviter les déformations dans des plages de températures critiques pour la ductilité.

Aujourd’hui des logiciels numériques, intégrant la résistance de la matrice à la déformation en fonction de la température, les transformations de phase, la répartition des contraintes dans l’emprise, guident le forgeron dans la définition et la conduite du forgeage.

Le grossissement du grain à l’issue du forgeage des nuances austénitiques, qui peut rendre inefficace l’inspection US (par non perméabilité de la matrice) nécessaire pour vérifier la santé interne du produit, doit être impérativement contrôlé au cours du forgeage. En effet ce grossissement du grain, après les recristallisations du laminage ou du forgeage, ne peut être corrigé par aucun traitement thermique puisque les nuances austénitiques ne présentent aucune transformation de phase au refroidissement. Cette singularité est particulièrement contraignante pour la définition des gammes de forgeage à chaud des composants en aciers inoxydables austénitiques de la mécanique lourde.

Le recours à la forge à chaud pour la mise en forme résulte le plus souvent de la singularité des pièces à fabriquer : par leur taille, leur forme, les exigences métallurgiques requises, le tout dicté par leur fonctionnalité. À titre d’illustration nous prendrons l’exemple de la fabrication des arbres de propulsion de certains petits bâtiments militaires (vedettes rapides qualifiées en leur temps de « Rolls-Royce de la mer »). Les principales exigences fonctionnelles pour ce composant mécanique essentiel étaient les suivantes :

  • très bonne tenue à la corrosion marine, ce qui orientait vers une nuance austénitique bas carbone contenant du molybdène (nuance 316L), de bonne propreté et à faible teneur en soufre.

  • haute résistance mécanique pour transmettre sans déformation le couple de propulsion très élevé. Cette exigence orientait vers une nuance dérivée d’un 316L, mais avec un très net renforcement de la teneur en manganèse afin d’accroître la solubilité en azote qui permettrait d’augmenter fortement la résistance mécanique (voir partie II, Sect. 2.3.3 [6]).

Il en résultait une élaboration complexe autour d’une gamme EAF/VOD, permettant les additions de manganèse et d’azote au niveau requis. On peut considérer qu’une telle nuance aurait pu être avantageusement élaborée, compte tenu de sa teneur en azote, par le procédé PESR (Partie II, Sect. 2.3.3 [6]), si l’usine productrice en avait disposé. La mise en forme à partir du lingot comportait les principales étapes suivantes :

  • forgeage à la presse ;

  • hypertrempe ;

  • usinage d’ébauchage ;

  • traction à froid (sur le banc d’étirage des voilures d’Airbus à Issoire) pour écrouir le métal et lui conférer sa résistance finale ;

  • usinage de finition.

4 La transformation à froid des aciers inoxydables

Les aciers inoxydables nécessitent, pour atteindre pleinement leur potentiel de résistance à la corrosion, un état de surface particulièrement soigné, puisque tout défaut de surface constituera un lieu préférentiel d’amorce de la corrosion. La qualité de la transformation à froid des aciers inoxydables, par son incidence sur l’état de surface, est donc particulièrement déterminante.

4.1 La transformation à froid des produits plats minces

Cette transformation à froid assure les fonctions suivantes :

  • donner l’épaisseur finale au produit avec une très haute précision et pour des épaisseurs pouvant descendre jusqu’à 1/10 de mm et cela avec un nombre minimal de passes, et un nombre minimal de recuits intermédiaires pour les nuances très écrouissables ;

  • assurer un niveau d’écrouissage final fixant les caractéristiques mécaniques du produit (N.B. les austénites hypertrempées n’ont pas de comportement élastique) ;

  • fournir un état de surface irréprochable (souvent celui du poli-miroir).

4.1.1 Les outils de la transformation à froid des produits plats minces

Les opérations décrites précédemment sont réalisées sur des lignes continues de laminage à froid, comportant : laminoirs à froid Sendzimir, fours de recuit pour effacer les écrouissages et installations de décapage pour effacer les traces d’oxydation dues aux recuits.

La figure 12 donne le schéma d’une ligne à froid de production de tôles fines en aciers inoxydables. On y distingue les étapes suivantes :

  • la ligne est alimentée en bobines (coils) issues du laminage à chaud ;

  • selon qu’il s’agit de nuances ferritiques ou austénitiques le produit déroulé est soumis à un décapage ou à un recuit-décapage ;

  • la bande subit un premier laminage à froid sur laminoir Sendzimir réversible suivi de réparations de surface par bandes abrasives et d’un recuit-décapage (effacer l’écrouissage) ;

  • un second laminage à froid sur Sendzimir est effectué ; il est suivi d’une opération de recuit brillant ou autre traitement thermique ;

  • la bande subit un ultime laminage à froid (skin pass) dans un laminoir duo dont les cylindres ont reçu un poli miroir. Cette opération finale donne à la bande une meilleure planéité et un brillant encore amélioré.

Les laminoirs Sendzimir (Fig. 13) sont des outils extrêmement performants puisque les vitesses de laminage peuvent y atteindre 1000 m/mn, pour des largeurs allant jusqu’à plus de 2 m et avec des taux de réduction pour une seule passe pouvant atteindre 80 %.

Un tel équipement, grâce au grand nombre de rouleaux satellites, à leur positionnement très précis, à la très grande rigidité du bâti, permet la transmission d’efforts importants avec un cédage minimal et donc une très grande précision dimensionnelle sur le produit sortant du laminoir.

thumbnail Fig. 12

Ligne de laminage à froid [14].

Cold rolling line for flat products.

thumbnail Fig. 13

Laminoir à froid Sendzimir [14].

Sendzimir cold rolling mill.

4.1.2 La mise en oeuvre des produits plats minces

Une part significative des produits plats minces est mise en œuvre par emboutissage. Le problème du cordage / chiffonnage ou ridging / roping consistant en l’apparition de stries de surface lors de l’emboutissage des tôles à froid en nuances ferritiques, a été un des problèmes qualitatifs majeurs posés par les produits plats ferritiques destinés à l’emboutissage. La figure 14 représente ce type de défaut sur une pièce emboutie.

Ce comportement est influencé par l’ensemble des conditions de fabrication du produit : coulée, laminage à chaud et laminage à froid. L’annexe B explicite les causes métallurgiques à l’origine de ces défauts.

Ces produits plats minces, laminés à froid, peuvent aussi être mis en œuvre par soudage. On signalera à cet égard une application particulière : la confection des tubes pour lignes d’échappement automobile qui sont conformés à froid et soudées en ligne par induction ou laser.

thumbnail Fig. 14

Exemple de cordage sur une pièce emboutie en acier ferritique au Nb [8].

Roping appearance after ferritic stainless steel deep-drawing.

4.2 La transformation à froid des produits longs

Il s’agit essentiellement du tréfilage du fil machine issu de l’atelier de laminage à chaud. Son objectif est de donner au produit :

  • son diamètre final avec une bonne précision ;

  • le degré d’écrouissage nécessaire pour l’obtention des propriétés mécaniques requises ;

  • un état de surface en adéquation avec l’application finale.

Les barres en aciers inoxydables, avant d’être livrées en clientèle, peuvent être dressées, étirées, écroutées, meulées, rectifiées, afin d’assurer d’étroites tolérances dimensionnelles, un excellent état de surface et l’écrouissage requis.

5 Conclusion

Le développement des techniques métallurgiques au fil des siècles [15] est inséparable de la conquête très progressive des hautes températures. Cette conquête, dans ses derniers achèvements, passait par la disponibilité de nouvelles sources d’énergie (four électrique à arc, injections d’oxygène pur) permettant de mettre en œuvre simultanément des puissances et des densités d’énergie inaccessibles jusqu’alors. Elle autorisait, à l’échelle industrielle, des opérations métallurgiques jusque là inenvisageables (réduction d’oxydes réfractaires, fusions rapides, affinages complexes) mais elle impliquait aussi la disponibilité de matériaux suffisamment réfractaires pour contenir les phases liquides en cours d’affinage. La fabrication des aciers inoxydables, par leur contenu en chrome, qui imposait des processus de haute température, longtemps bien au-delà de 1800 °C (réduction du minerai, affinage de l’acier), marque un sommet dans une telle évolution, puisque les élaborations modernes des aciers faiblement alliés, en phase entièrement liquide, n’exigeaient pas qu’on dépasse de beaucoup 1600 °C. On conçoit donc qu’une telle fabrication n’ait pu prendre son essor industriel qu’avec celui de l’électrométallurgie et de l’usage intensif de l’oxygène en métallurgie. On aura remarqué, au fil des trois articles, qu’une partie (assez intensive) des efforts pour perfectionner la production des aciers inoxydables, la rendre moins onéreuse, et ainsi la banaliser, consistera précisément à mettre au point des filières de production permettant de limiter, autant que faire se peut, ce passage par ces très hautes températures.

Ainsi le développement des aciers inoxydables dont nous avons rendu assez largement compte à propos des moyens de leur production (en nous appuyant principalement sur les évolutions techniques des producteurs nationaux), s’est déployé sur trois périodes assez distinctes :

  • la première qui s’étend en gros sur le second tiers du 20e siècle, à partir des années 20, s’appuie sur les développements de l’électrométallurgie appliquée aux opérations de réduction des minerais de chrome, et à la fusion des charges métalliques. Cette période voit l’usage des aciers inoxydables sortir progressivement de sa confidentialité et leur production s’industrialiser largement en même temps que s’établissent fermement les bases de la métallurgie structurale de ces aciers ;

  • la seconde, qui débute à la fin des années soixante, voit l’essor des procédés d’affinage à l’oxygène, spécifiques aux bains riches en chrome, qui après diverses tentatives originales, aboutit à la généralisation des procédés AOD et VOD. La coulée continue prend son essor aussi bien en produits longs qu’en produits plats. Les moyens de transformation à chaud se perfectionnent (laminage des produits brut de coulée en une seule chaude), ainsi que ceux de la transformation à froid. Les premières grandes usines pour la production de masse des produits plats en aciers inoxydables apparaissent. La diversification des nuances pour application à des usages de plus en plus spécifiques et exigeants (tenue à des corrosions très sévères, exigences de haute polissabilité, caractéristiques mécaniques élevées notamment en fatigue) se poursuit grâce aux développements des connaissances relatives à la métallurgie structurale de ces aciers et aux mécanismes de corrosion ;

  • la troisième qui s’affirme à partir des années 80, voit ces productions, notamment en produits plats, s’implanter en masse en Asie : d’abord au Japon, puis en Corée du Sud et enfin en Chine, mais en conservant les filières de production mises au point lors de la période précédente, tandis que les producteurs du vieux monde se rationalisent ; la concentration de la production de produits plats inoxydables autour du train à bandes d’APERAM en Belgique, avec les deux aciéries (fours électriques et AOD) de Chatelet et de Genk en est un bon exemple. En même temps les producteurs traditionnels de moindre taille (notamment en produits longs) se spécialisent sur des nuances aux caractéristiques de plus en plus pointues.

Ces développements de la production d’aciers inoxydables se feront pour répondre aux demandes en produits sidérurgiques spéciaux de trois grands secteurs industriels :

  • celui de la construction d’équipements de haute technologie destinés à la production d’énergie (exploitation pétrolière, nucléaire, centrales thermiques conventionnelles…), à l’industrie chimique, à la construction navale, à l’aéronautique et à l’industrie de la défense2 ;

  • celui des industries productrices de biens de consommation : électroménager, automobile (notamment par les lignes d’échappement et les systèmes d’injections), platerie, décoration ; ou vers l’industrie agro-alimentaire (cuves des établissements laitiers ou vinicoles…) ;

  • celui du petit outillage ou des composants de la mécanique de précision : horlogerie, matériels chirurgicaux, moules destinées à la production des composants de la verrerie d’optique…

On notera que pour les applications les plus délicates, les exigences ne cesseront de croître simultanément :

  • en matière de tenue à la corrosion obtenue par le choix de la nuance (composition chimique), l’amélioration de l’état de surface et de la propreté inclusionnaire ; en matière de caractéristiques mécaniques, obtenues par le choix de la nuance fixant le mécanisme de durcissement et la réalisation d’un écrouissage suffisant, et par une bonne propreté inclusionnaire pour la tenue en fatigue ;

  • la mise en œuvre de ces matériaux inoxydables en construction mécanique supposera qu’on en maîtrise la déformation à froid et tout particulièrement leur emboutissabilité (pour les feuillards laminés à froid), leur soudure (ce qui entraînera la création de nuances spécifiques pour le métal d’apport), leur usinage par le développement de nuances à usinabilité améliorée (nuances resulfurées et à oxydes contrôlés).

On soulignera enfin, ce qui est rarement mentionné, que le développement de la production des aciers inoxydables a été une contribution tout à fait essentielle, bien que pour partie involontaire, à une politique du développement durable, à une époque où il n’en était pourtant guère question, par :

  • la durabilité des équipements construits avec des matériaux inoxydables ;

  • le rôle absolument déterminant joué par les aciers inoxydables (et leurs cousins les super-alliages) dans les industries liées à la production d’énergie (prospection et exploitation pétrolières, turbines à vapeur et à gaz, nucléaire…), en permettant notamment une augmentation des rendements énergétiques par l’élévation des températures des fluides en service ;

  • l’organisation précoce de la collecte des chutes et ferrailles inoxydables, la teneur en nickel en étant une puissante incitation. On notera que cette collecte, dans un marché des produits plats inoxydables en très forte croissance, contribuera à déclasser les filières de production reposant essentiellement sur les voies FeCr liquide et fonte au chrome ;

  • les économies d’énergie introduites dans les filières de production : l’abandon de la filière reposant sur la silicothermie des minerais de chrome, la généralisation d’une filière électrique performante avec l’affinage AOD et la coulée continue de formats permettant le laminage en une seule chaude.

Les lecteurs des trois articles sur l’histoire de la production de aciers inoxydables en auront peut-être retiré l’impression que les auteurs ont cédé, dans leur rédaction, à une certaine nostalgie face à l’effacement de procédés qui furent emmenés, en leur temps, à une remarquable efficacité technique ou face à la disparition de sites de production qui comptèrent dans le paysage sidérurgique national des aciers spéciaux. Mais on peut aussi lire ces articles comme une illustration du processus de destruction créatrice de Schumpeter avec quatre étapes principales :

  • de nouvelles idées apparaissent dans « l’air du temps », souvent suite à une avancée scientifique significative (les équilibres thermodynamiques de Hilty pour le cas qui nous occupe) ;

  • des technologies diverses apparaissent pour mettre en œuvre ces nouvelles idées (AOD, VOD, Kaldo/VAC, CLU, RH/OB) ;

  • leur exploitation se charge de faire le tri entre elles et seules les plus performantes, ou celles qui auront reçu le plus de perfectionnements subsisteront ;

  • chaque nouveau procédé, lorsqu’il atteint sa maturité technique, déclasse le procédé précédent et impose souvent une profonde réorganisation de la production pouvant conduire à une usine « greenfield ».

Les composantes principales du changement, ayant impulsé à différents moments les évolutions que nous avons décrites dans les trois articles, ont été de diverse natures :

  • des évolutions techniques majeures en matière d’aciéries avec l’introduction des procédés d’affinage AOD et de coulée continue qui bouleversaient l’organisation des sites de production ;

  • une forte croissance des marchés des aciers inoxydables principalement en produits plats, qui conduisait à séparer les deux filières (produits plats et produits longs) et à concevoir les principales usines de production en produits plats autour d’un atelier de laminage à chaud de grande capacité par train à bandes (TAB) ;

  • une interaction forte entre les producteurs d’aciers inoxydables et leurs clients industriels demandeurs de nuances toujours plus performantes, mais avec la contrepartie d’avoir à subir les fluctuations économiques de ces secteurs industriels, par exemple dans la production de tubes en aciers inoxydables destinés à l’industrie pétrolière ;

  • le découplage du traitement des minerais de chrome (électrométallurgie) et des aciéries d’aciers inoxydables. Les besoins en FeCr suraffiné ont fortement décru du fait des nouveaux procédés d’aciérie et la production des FeCr (carburés essentiellement) a eu tendance à s’implanter à proximité des gisements de chromite (le cas de la société finlandaise Outokumpu est singulier puisque c’est l’aciérie qui a rejoint la mine de chromite et l’usine de FeCr) ;

  • la mondialisation de l’économie avec l’accession successivement du Japon, de la Corée, de la Chine au rang d’acteurs sidérurgiques majeurs, la Chine étant devenue le principal producteur d’aciers inoxydables.

L’héritage industriel actuel des usines françaises d’aciers inoxydables, les sociétés Aperam (Charleroi) en produits plats et Ugitech en produits longs sont l’aboutissement concentré et performant d’une telle évolution sur près d’un siècle.

Remerciements

Les auteurs remercient chaleureusement Mr J.Y. Cogne de la société APERAM, Mr Tarcisio Reis De Oliveira de la société APERAM Brésil (Acesita) et Mr Deville-Cavellin de la société UGITECH, pour la communication de documents ayant permis d’illustrer le présent article, pour leur relecture attentive et leurs remarques à propos des entreprises citées.

Annexe A Solidification des aciers inoxydables de type 304 (nuance austénitique)

Objectif : En exposant certains aspects fondamentaux de la solidification des aciers de type 304, il est question de montrer les aspects critiques du réglage de la composition et de la vitesse de solidification, conditionnés par la complexité métallurgique du processus.

Pour ce type d’aciers austénitiques, la solidification met en jeu une réaction de dépôt simultané de δ et γ le long d’une vallée de type « eutectique » (Fig. A1a), après un début de solidification primaire, soit en δ soit en γ. La composition du 304 se situant très près de la « vallée eutectique », le chemin de solidification dans cette zone frontière, dépend d’une part des variations de la composition de l’alliage et d’autre part de la vitesse de refroidissement.

thumbnail Fig. A1

Schéma de la solidification des aciers austénitiques de type 304.

Sur la projection du liquidus (Fig. A1a), pour le point représentatif (F ou A), proche de la ligne eutectique, la solidification doit commencer respectivement en δ ou en γ, dans les conditions idéales du diagramme d’équilibre. Ensuite, la composition du liquide va évoluer vers cette ligne où δ et γ se déposent simultanément, avant la transformation complète en γ solide à plus basse température (< 1300 °C) que la figure A1b situe dans une coupe pseudo-binaire du diagramme ternaire Fe-Cr-Ni.

Processus de solidification :

  • l’acier A (Figs. A1b et A1c) doit se solidifier en γ, de façon classique, avant le dépôt simultané de γ et δ puis la transformation complète en γ, vers 1300 °C ;

  • l’acier F doit commencer en δ avant de continuer en (γ + δ), puis de se transformer en γ, en dessous de 1200 °C (Fig. A1b). Cependant, il suffit d’une faible variation de composition de F, pour que la solidification débute en γ, comme c’est le cas de nombreux aciers industriels, du fait des variations de Cr et Ni et des éléments d’addition C, Mo, etc. [Le, p16–18].

Les liquidus de δ et γ sont très plats dans cette zone de composition, particulièrement celui de γ (Fig. A1c). La prolongation « hors d’équilibre » du liquidus γ, notée(T γl), permet de comprendre les différences de forces motrices à la germination soit de γ soit de δ. On constate que pour l’acier F, la surfusion (force motrice) pour germer en δ : (T-T1) ou en γ : (T-T2) pour T < Tγl, sont peu différentes.

Le solide dont la croissance est la plus rapide sera prépondérant dans les conditions industrielles hors d’équilibre. La compétition de croissance de δ et γ est conditionnée par la différence de surfusion de constitution à la pointe des dendrites. En effet, un grain δ rejette dans le liquide les éléments gammagènes (Ni, C) alors que le grain γ rejette les alphagènes (Cr, Mo...). La progression des grains δ et γ ne se fait donc pas à la même vitesse, d’autant plus que δ et γ ont des conductibilités thermiques différentes qui conditionnent l’évacuation de la chaleur de solidification. La vitesse de solidification en δ ou γ du front dendritique est extrêmement sensible à de faibles variations de température locale [Le] : aux faibles vitesses de solidification, c’est δ qui est favorisé alors qu’aux vitesses plus élevées, c’est γ qui domine.

La figure A2 compare les vitesses de solidification de deux aciers austénitiques de compositions voisines. L’alliage F commence à solidifier en δ avant l’apparition de γ, suivie de la décroissance de δ. L’alliage A solidifie en γ avec, en fin de solidification, une petite quantité de δ résiduelle. En comparant ces deux aciers, on voit que la solidification en γ est nettement plus rapide qu’en δ. Pour l’alliage F (δ), à 2 degrés au-dessous de la température de solidification, il reste 75 % de liquide, alors que l’alliage A (γ) est déjà à 50 % solidifié.

thumbnail Fig. A2

Vitesses de solidification de deux aciers austénitiques [Le].

Références annexe A

[Le] G. Lesoult, Solidification, cristallisation et microstructures, Tech. Ing. M 58, (1986)

Annexe B Le cordage dans les aciers inoxydables ferritiques

Les aciers inoxydables ferritiques à 17 % Cr, sous forme de tôles minces, après un laminage à chaud, puis un laminage à froid suivi d’un recuit final de recristallisation, présentent lors d’une déformation par traction une ondulation sous forme de rides parallèles à la direction de laminage ; ce défaut est appelé chiffonnage ou cordage (Sect. 4.1.2, Fig. 14).

Cette anisotropie de déformation plastique trouve son origine dans des hétérogénéités de texture (ex : bandes {100}<110> et {111}<110>), qui engendreront, lors de l’opération d’emboutissage, des différences dans la réduction d’épaisseur selon les orientations, avec pour conséquence une ondulation macroscopique de la tôle [Chao].

Il a été montré que les cristaux basaltiques de ferrite lors de la solidification persistaient durant le laminage à chaud et conduisaient à accentuer le phénomène de cordage contrairement à une structure parfaitement recristallisée. Ces structures colonnaires étant plus développées sur des produits issus de la coulée continue que sur des produits issus de coulées lingots, le passage de la voie lingot vers la coulée continue a engendré plus de cordage sur les aciers inoxydables ferritiques. Des moyens ont été par la suite développés pour limiter la zone basaltique des brames de C.C. notamment par le brassage électromagnétique lors de la solidification [Itoh] ou encore en diminuant la température de surchauffe pour augmenter la zone équiaxe [Vial]. De nombreuses études ont montré aussi que ce cordage pouvait être contrôlé lors du laminage à chaud en favorisant la recristallisation face à la restauration par des déformations plus importantes, une température de fin de laminage à chaud plus basse et des recuits prolongés [Hara].

Les nuances ferritiques stabilisées par du Ti ou Nb montrent une meilleure résistance au cordage que les nuances à 17 % Cr (430), mais ne sont pas exemptes de ce problème. L’absence de composantes nouvelles de texture lors du recuit implique une hérédité d’orientation de la structure, qui est à l’origine d’une anisotropie de déformation plastique des cristaux. La forte texture de fibre <110> des tôles laminées à chaud est considérée comme la cause principale du phénomène de cordage [Take].

Il a été effectivement vérifié que des hétérogénéités de texture observées sur courte distance (de l’ordre du mm) dans la direction transverse de la tôle varient dans le même sens que les mesures caractérisant le cordage [Gex].

De nombreux auteurs ont montré que ce phénomène de cordage est amplifié quand la taille des grains augmente et dans les aciers inoxydables ferritiques, une augmentation du carbone et de l’azote (C + N > 0,030 %) avec une augmentation respective des stabilisants Ti et/ou Nb permet un meilleur contrôle de cette microstructure tant sur les produits bruts de solidification que sur les produits laminés à chaud et à froid. Le cordage diminue aussi significativement avec une augmentation de la teneur en carbone dans un acier ferritique à 17 % Cr [Pouil]. Il faut cependant noter qu’une augmentation du carbone doit être parfaitement contrôlée pour ne pas dégrader d’autres propriétés et notamment l’emboutissabilité !

Références annexe B

[Chao] H.C. Chao, Met. Trans. 4, 1183 (1973)

[Itoh] Y. Itoh, Trans. ISIJ 22, 223 (1982)

[Vial] P. Viallon, J. Heritier, Bulletin du Centre de Recherche de Creusot Loire, 231 p, 1977

[Hara] J. Harase, Trans. ISIJ 23, S626 (1983)

[Take] Takechi et al., Trans. Jpn. Inst. Met. 8, 233 (1967)

[Gex] D. Gex, M. Mantel, B. Baroux, P. Pédarré, Mem. Sci. Rev. Met. 9, 492 (1990)

[Pouil] Pouillard, Osdoit, Communication présentée à la 5e journée des aciers spéciaux, Saint Étienne le 12 mai 1966 et publiée dans la Revue de Métallurgie, 1966

Références

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  2. J. Saleil, J. Le Coze, La coulée continue des aciers. Partie II, Matériaux & Techniques 106, 504 (2018) [CrossRef] [EDP Sciences] [Google Scholar]
  3. J. Saleil, J. Le Coze, La coulée continue des aciers. Partie III, Matériaux & Techniques 106, 505 (2018) [CrossRef] [EDP Sciences] [Google Scholar]
  4. J. Saleil, J. Le Coze, La coulée continue des aciers. Partie IV, Matériaux & Techniques 106, 506 (2018) [CrossRef] [EDP Sciences] [Google Scholar]
  5. J. Saleil, M. Mantel, J. Le Coze, Production des aciers inoxydables : Histoire et développements. Partie I, Matériaux & Techniques 108, 103 (2020) [CrossRef] [EDP Sciences] [Google Scholar]
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  11. Documents APERAM / Le Chatelet. [Google Scholar]
  12. P.J. Cunat, Les aciers inoxydables, fabrication, Techniques de l’ingénieur, fascicule M4543, (2012) [Google Scholar]
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  14. P. Bourgain, P. Pédarré, The manufacture of stainless steels. Stainless steels. Les Editions de physique, 1993 [Google Scholar]
  15. J. Le Coze, Récits sidérurgiques d’hier et d’aujourd’hui, EDP Sciences, 2017 [Google Scholar]

1

Température à partir de laquelle il y a apparition de phase liquide aux joints de grains et qui peut être mesurée par un essai de forgeabilité.

2

Pour partie avec les superalliages, qui sont dans la filiation des aciers inoxydables austénitiques, mais avec des propriétés mécaniques et de résistance à chaud considérablement améliorées. Ces superalliages, dont l’élaboration (procédés VIM/VAR), la métallurgie (durcissement structural) et les propriétés (tenue au fluage), sont tout à fait spécifiques, n’ont pas été traités (sinon incidemment) dans le présent article. Ils sont en France principalement de la compétence de la société AUBERT & DUVAL.

Citation de l’article : Jean Saleil, Marc Mantel, Jean Le Coze, La production des aciers inoxydables: Histoire de son développement et des procédés de fabrication. Partie III. Évolutions des méthodes de coulée et de mise en forme des aciers inoxydables, Matériaux & Techniques 108, 105 (2020)

Liste des tableaux

Tableau 1

Equipements du complexe de production de produits plats inoxydables de la société APERAM en Belgique (bassin de Charleroi) : aciéries du Châtelet et de Genk, train continu à bandes [11].

APERAM production facilities in Belgium, for stainless steel flat products: Châtelet and Genk steel making plants and continuous hot strip mill.

Liste des figures

thumbnail Fig. 1

Machine de coulée continue verticale de l’aciérie d’UGITECH [8]. Trois lignes au format 205 × 205 mm2.

Vertical CC machine of UGITECH steel-plant.

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thumbnail Fig. 2

Essai de forgeabilité par traction à chaud [8].

Hot tensile test for ductility evaluation.

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thumbnail Fig. 3

Trou de ductilité lié au diphasage [8].

Low hot ductility resulting from mixed structures.

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thumbnail Fig. 4

Décohésion dans une matrice austénitique en relation avec des îlots de ferrite [8].

Cracks occuring on ferrite islands in austenitic matrix.

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thumbnail Fig. 5

Effet de la teneur en plomb sur la forgeabilité [8].

Effect of Pb content on hot ductility.

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thumbnail Fig. 6

Schéma du train combiné à barres et à fils d’UGITECH [8].

UGITECH combined rolling mill.

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thumbnail Fig. 7

Sortie des spires de fil sur le train d’UGITECH [8].

Wire exit on UGITECH combined rolling mill.

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thumbnail Fig. 8

Schéma du train à bandes de KAWASAKI/Chiba [10]. Fr : four de réchauffage ; P : presse de calibrage ; R1-R3 : duo et quartos ébaucheurs ; B1 : bobineuse à largets ; S : soudage ; F1-F7 : quartos finisseurs ; R : zone de refroidissement ; D : découpe ; Bb : bobineuses.

Hot strip rolling at Kawasaki/Chiba.

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thumbnail Fig. 9 Cages finisseuses du train continu à bandes d’APERAM [11].

Au premier plan les cylindres de remplacement, au second plan, les cages de laminage, en arrière-plan le produit sortant du laminoir.

Finisihing section of APERAM hot strip rolling mill.

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thumbnail Fig. 10

Laminoir à chaud Steckel pour produits plats [12].

Steckel rolling mill.

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thumbnail Fig. 11

Schéma des opérations de filage à chaud des tubes en aciers inoxydables selon le procédé Ugine-Séjournet [13]. A : perçage à chaud du lopin ; B : filage à chaud du tube.

Ugine-Séjournet hot extruding process.

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thumbnail Fig. 12

Ligne de laminage à froid [14].

Cold rolling line for flat products.

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thumbnail Fig. 13

Laminoir à froid Sendzimir [14].

Sendzimir cold rolling mill.

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thumbnail Fig. 14

Exemple de cordage sur une pièce emboutie en acier ferritique au Nb [8].

Roping appearance after ferritic stainless steel deep-drawing.

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thumbnail Fig. A1

Schéma de la solidification des aciers austénitiques de type 304.

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thumbnail Fig. A2

Vitesses de solidification de deux aciers austénitiques [Le].

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