LES ACIERS

A HAUTES RESISTANCES

> 3500 MPa

3500 Mpa

Une certaine métallurgie à développer …

LES ACIERS STEEL CORD

Obtenus par tréfilage à froid

Implique un taux d’écrouissage important

ductilité résiduelle suffisante pour toronner et câbler les fils

Fabricants de ce type d’acier et tréfileurs

• Les fabricants

ARCELOR-MITTAL

• Les Tréfileurs

TREFILEUROPE

BEKAERT

MANUFIL

Etc

Caractéristiques métallurgiques des

aciers steel cord

Acier haut de gamme

• nuance à haut carbone : 0,65 à 0,85 % C

• de grande pureté et d’homogénéité chimique

• résistance mécanique pouvant dépasser 3500 MPa

Acier en évolution

•mise en œuvre d’acier à très haut carbone

• carcasse poids lourds à durée de vie supérieure à 106 km

• Résistance à 4000 MPa

Pourquoi un acier très pur ?

Les principales inclusions nuisibles pour

un acier steel cord

des inclusions contenant :

• de l’aluminium (Al)

• du calcium (Ca)

• de l’oxygène (O)

• du magnésium (Mg)

Formation d’oxydes non déformables, nuisible

pour la mise en forme et la tenue en fatigue

Présence d’inclusion d’alumine

Pourquoi maîtriser l’état de

surface ?

Sur-écrouissage important en surface

Ces ruptures s’accompagnent d’un écrouissage important

qui accélère la rupture finale

Présence d’une couche d’oxyde en surface qui a

tendance à augmenter son écrouissage

Lignes horizontales

Importante déformation des grains dans une direction

privilégiée et en surface

Pourquoi maîtriser la

microstructure?

Concentration locale de carbone

entraînant une diminution de la ductilité

Enrichissement de carbone en surface et fissurations

La microstructure conditionne l’aptitude du métal à

être tréfilé

Pour une même teneur en

carbone

Les aciers ayant une structure perlitique fine

acquièrent une meilleure résistance mécanique

Le comportement au tréfilage dépend de la proportion de

ferrite dans la structure, mais également des modifications de

la perlite par écrouissage

++> Le taux de déformation de la ferrite libre est

supérieure à celle de la perlite

Nés de la nécessité d’obtenir des fils aciers à

haute résistance

Aciers à taux élevé de carbone : 0,8%

Structure perlitique

Obtenus par tréfilage à froid

LES ACIERS A HAUTES RESISTANCES

Exemple : les aciers STEEL CORD

LES ACIERS STEEL CORD

DES ACIERS « HAUTE RESISTANCE »

Domaine d’application privilégié pneumatique

de poids lourds ou d’engin de travaux public, le

génie civil

On privilégiera trois caractéristiques :

• la composition chimique

• l’état de surface

• la microstructure

Pourquoi un acier très pur ?C’est à dire un acier comprenant le moins d’inclusions possible

Le taux de déformation des inclusions est inférieur à celui de

déformation de l’acier

lors du tréfilage, décohésion à l’interface inclusion / métal

propagation de fissure et rupture du fil de steel cord

Décohésion sur

grain de martensite

lors du tréfilage

Déformation hétérogène

Des propriétés de surface extrêmement bien maîtrisées

Les défauts de surface sont la cause principale de

rupture lors des opérations de mise en forme à froid

• défauts traditionnels : fissures, repliures, pailles

•Incrustations lors du laminage

•Ségrégation de carbone ou des impuretés à la surface du métal lors de la coulée

Casse initiale en surface

La microstructure conditionne l’aptitude du métal à

être tréfilé

On cherche à améliorer la

résistance mécanique

Un taux de carbone élevé

Un écrouissage par tréfilage

pour durcir le métal

ATTENTION à la répartition du carbone au sein du métal

Ségrégations = perte de ductilité = apparition de fissures

LES ACIERS STEEL CORD

Le process d’élaboration

La mise en œuvre des aciers Steel Cord

La difficulté provient essentiellement de la recherche

d’un compromis résistance ductilité très élevé :

• des fils fins de résistances très élevées > 3500 MPa

• obtenus par déformation à froid très poussée

• possédant une ductilité résiduelle suffisante pour être

ensuite toronnés et câblés

L’essentiel de la métallurgie se développe à

l’aciérie• maîtrise des inclusions (nature et taille)

• ségrégation

pour obtenir une ductilité suffisante

La conduite de la Tréfilerie (laminage) est

déterminante vis à vis :

• des microstructures

• des propriétés de surface ( fissuration, décarburation,

calamine)

Plusieurs étapes de fabrication :de la préparation du métal à son usinage

Fabrication d’un semi produit : le fil machine

- Aciérie

- Train à billette

- Train à fil

Avoir des caractéristiques adéquat pour le tréfilage

Fabrication d’un produit fini : étirage sur des grandes

longueurs sans rupture

L’optimisation des conditions de tréfilage et de

traitements thermiques sont primordiales

• les conditions de lubrification et de température lors du

tréfilage

• la qualité du laitonnage (dépôt d’une couche mince de

laiton)

• la microstructure après traitement thermique intermédiaire

• la maîtrise des contraintes résiduelles sur fil fin

Chez le tréfileur

Les étapes clés du process d’élaboration du steelcord

Elaboration en acierie des aciers Steel Cord

Coulée en poche

Coulée continue

Four poche

Total 5heures

Calmage Si, Mn, C +CaO

Addition de sable

Laitier d’acidité ajusté

SiO2/CaO = 0.9 (0,75 à 1)

+ pollution

• Al2O3 et MgO (usure réfractaires)

• FeOn réoxydation par projection du métal

Le four poche un réacteur de métallurgie secondaire très utile

à l’élaboration des aciers Steel Cord

Pourquoi ?

Temps de traitement très longs

5 heures

Les fonctions du Four Poche

• réchauffer l’acier et ajuster sa température aux besoins

de la coulée continue : +/- 2°C

• homogénéiser la température et la composition de l’acier

• terminer la mise à nuance

• décanter les inclusions

• chauffage par un arc électrique crée entre l’acier et

3 électrodes

• homogénéisation par un brasseur

électromagnétique embarqué sur le chariot

• 2 sens de brassage

• puissance du four : 20 à 30 MVA

• performances : chauffage de 2 à 3°C / min pour

200 tonne d’acier

•Prélèvements : acier, laitier, O, température

Principe et caractéristique du four poche

Chauffage et

brassage

Homogénéité

Avec brasseurSans brasseur

Four poche sous pression atmosphèrique (avec poche transfert)

Schéma de principe de 2

types de fours poches

avec aspiration

a) procédé ASEA

Brassage

électromagnétique

b) procédé VAD

Vacuum Arc degassing

Le contrôle et la composition des inclusions

Point clé :

On cherche à précipiter des inclusions facilement déformables

au cours de la transformation à chaud du métal solide

Comment y parvenir ?

• calmage de l’acier au silicium inclusions vitreuses

• traitement métal laitier

• précipitation contrôlée des inclusions lors de la précipitation

La formation des inclusions vitreuses dans le système SiO2-Al2O3-CaO

Comportement rhéologique des inclusions d’oxydes au cours du

laminage à chaud

1. Domaine SiO2

Inclusions vitreuses

indéformables car elles ont une

viscosité trop élevée

2. Pour une teneur en SiO2 légèrement plus faible

Inclusions biphasées vitreuses partiellement ou

non déformables

3. Dans une zone à faible teneur en SiO2

Inclusions partiellement ou totalement

cristallisées non déformables

4. Dans un large domaine de

composition : inclusions vitreuses

déformables

Modélisation des échanges entre métal, laitier et

inclusions pour un acier Steel Cord

Laitier trop acide : formation d’inclusions indéformables de silice

Laitier trop basique :

Risque de précipitation de spinelles et riches en alumine

indéformables

Laitier optimal

Rapport %SiO2/%CaO = 0,9

Comportement des inclusions pendant les transformations à chaud

•La connaissance actuelle de la composition des inclusions n’est pas

suffisante pour prévoir leurs possibilités de déformations pendant les

étapes de transformation à chaud du métal

• il n’existe pas actuellement de modèle global permettant de faire une

estimation des cinétiques de cristallisation des verres

Cristallisation d’inclusions de composition 41,5% SiO2- 33,9% CaO- 24,6 % Al2O3

a) Courbe TTT b) Evolution avec le temps du taux d’anorthite CAS2 formé

Comportement des inclusions pendant les transformations à chaud

En pratique :

• les inclusions vitreuses les plus stables dans le système

CaO-SiO2-Al2O3 se situent au voisinage de l’eutectique

ternaire entre :

• la pseudo wallastonite

• la tridymite

• et l’anorthite

C’est le domaine de composition que les acièristes cherchent

à obtenir lors de l’élaboration des aciers Steel Cord

Elaboration des aciers Steel Cord :

solidification et laminage

Coulée en poche

Coulée continue

Four poche

laminage

Enroulement

Patentage

A la suite de l’élaboration :

• solidification

• laminage à 1000°C

Obtention d’un fil circulaire enroulé à chaud

sous forme de spires

• patentage : trempe isotherme à 550°C

Restauration d’une structure perlitique fine

Le fil machine ( Longueur 20 m , 3t)

Problèmes rencontrés lors de la mise en œuvre du fil

machine au laminage

La formation de calamine

• Si les conditions de refroidissement (Temp. Initiales et finales, durée de

refroidissement) ne sont pas contrôlées, une couche d’oxyde peut se former

à la surface du fil-machine

• La calamine : FeO (~90%) Fe2O3(~5%) Fe3O4 (~5%)

• Cette couche est moins ductile que le métal sous jacent

nuit à sa tréfilerie

doit être éliminer avant la mise en œuvre du fil machine

La tréfilerie des aciers Steel Cord

Une technique qui fait appel à deux notions :

-celle du fil

-Celle de la traction

le matériau y est déformé à froid

La tréfilerie des aciers Steel Cord

Principe mécanique de l’opération de tréfilage : la filière

La déformation de tréfilage ne peut pas dépasser une valeur limite :

max = (1-3/4 ) / ( 1+/) avec angle du cone et cefficient de frottement

On a intérêt de lubrifier de façon efficace

La tréfilerie des aciers Steel Cord

Notions de métallurgie : effets de l’écrouissage

•La déformation imposée au fil se traduit par un écrouissage et une augmentation

des caractéristiques mécaniques

( contrainte d’écoulement plastique, contrainte à la rupture)

• Dans le même temps la ductilité décroît

Steel Cord

Contrainte à la

rupture MPa

Réduction totale

de section

La tréfilerie des aciers Steel Cord

Les exigences pratiques ( caractéristiques mécaniques

finales imposés sur le fil, critères de ductilité) conduisent à

sélectionner un taux d’écrouissage pour une nuance donnée

Des traitements thermiques peuvent être mis en œuvre

lorsque les caractéristiques ne peuvent pas être atteintes

par tréfilage à partir de fil machine brut

• patentage ( trempe isotherme destiné à créer une structure

perlitique fine selon un diagramme TTT)

Les différentes étapes du tréfilage

1. préparation mécanique

2. préparation chimique

3. tréfilage à sec

4. patentage

5. laitonnage

6. tréfilage fin

Préparation mécanique

Décalaminage mécanique par deux moyens :

-par flexion éclatement et décollement des couches d’oxydes

- par grenaillage bombardement de flux de grenaille

(particules fines)

Décapage chimique

Solutions d’acides sulfuriques ou chlohydriques

Lubrification afin de faciliter le passage dans une filière

Laits de chaux ou borax

Tréfilage du fil pour réduire son diamètre

Passage dans une filière

échauffement du fil

(250°C)

Le patentage

Traitement thermique :

-le fil est porté à une température supérieure à la

température d’austénisation

- est refroidi à une température située au desus de la

température Ms de formation de la martensite

Objectif : Produire une structure de perlite lamellaire

extrêmement fine

Celle qui convient le mieux à la déformation à froid pour des

fils subissant un fort écrouissage

Le laitonnage

Un revêtement de surface dans des buts esthétiques

et de protection

Dépôt de laiton sur le fil machine

Pour terminer un tréfilage fin

Diamètre final de de 200 micrométries qui peut être

tressé dans une corde

L’UTILISATION DES ACIERS

STEEL CORD

Le marché des pneumatiques

Fabrication des pneumatiques

Les « ressortiers »

Les entreprises de génie civil

Principaux renforts utilisés dans les pneumatiques

L’acier rentre en compétition contre les fibres concurrentes

la consommation mondiale reste en progression

Type de pneus Carcasse Ceinture

Biais : Tourisme

Poids Lourds

Polyester

Nylon USA

Biais ceinturé

Tourisme Polyester Fibre de

verre

USA

Radial

Tourisme

Poids Lourds

Polyester

(éventuellement rayonne)

Acier

( éventuellement autres

fibres organiques)

Michelin

Les exigences du marché

Chaque pneumatique en consomme une moyenne de 7Kgs

( contre 0,7kgs pour un pneumatique de voiture particulière)

• Les constructeurs de poids lourds exigent de leur trains de

pneumatique des durées de vie croissantes

( 100000 km après 4 rechapages)

•Les nécessités d’accroître le volume des charges transportées et

d’augmenter les capacités de freinage conduisent à des

performances (endurance) de l’armature des pneumatiques

inimaginables il y a quelques années

Les câbles d’acier forment des nappes à partir de fils d’acier à

haut carbone 0,65 à 0,80% C et à haute résistance mécanique

Assemblage des fils d’acier

• 5,5 mm de diamètre initial

• décapage

• filière réduisant leur diamètre entre 0,4 à 0,15 mm

• revêtement anticorrosion (laiton ou zinc)

•Assemblage en toron puis en câble

• tissage en nappe

Schéma de fabrication d’un pneu

Des différents types de pneumatiques :

A plis croisés, Bias Belted, Radial

Pneus à carcasse radiale

Conclusion

L’acier steel cord est un acier prestigieux

Sa haute teneur en carbone lui confére une résistance

mécanique exceptionnelle

Pleine expansion