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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
