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EP0329611A1 - Procédé de revêtement en continu d'un substrat filiforme d'acier par immersion de ce substrat dans un bain de métal de revêtement en fusion - Google Patents

Procédé de revêtement en continu d'un substrat filiforme d'acier par immersion de ce substrat dans un bain de métal de revêtement en fusion Download PDF

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Publication number
EP0329611A1
EP0329611A1 EP89810103A EP89810103A EP0329611A1 EP 0329611 A1 EP0329611 A1 EP 0329611A1 EP 89810103 A EP89810103 A EP 89810103A EP 89810103 A EP89810103 A EP 89810103A EP 0329611 A1 EP0329611 A1 EP 0329611A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
substrate
steel
wire
coated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP89810103A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0329611B1 (fr
Inventor
Michel Kornmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Battelle Memorial Institute Inc
Original Assignee
Battelle Memorial Institute Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Battelle Memorial Institute Inc filed Critical Battelle Memorial Institute Inc
Publication of EP0329611A1 publication Critical patent/EP0329611A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0329611B1 publication Critical patent/EP0329611B1/fr
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the continuous coating of a threadlike steel substrate by immersion of this substrate in a bath of molten coating metal.
  • the continuous coating of a filiform substrate by immersion involves the rapid passage of this substrate, whose temperature is lower than that of the molten coating metal, through a spout of a crucible filled with this molten metal which solidifies quickly in contact with this relatively cooler substrate.
  • This technique has already been used to form a coating on a wire whose cross section is greater than that desired, this wire then being re-woven once coated to bring it to the final section.
  • this wire it is necessary that the crystal structure of the steel is sufficiently softened, which implies that this wire has previously undergone heating to its austenization temperature followed by controlled cooling depending on the composition of the steel in order to give it the desired crystalline structure.
  • this technique has been applied with coating metals whose melting point was lower than the austenization temperature of steel, so that the steel wire was subjected to the heat treatment intended to form the structure necessary to make it drawable, prior to coating, since this coating was produced at a temperature below that of austenization.
  • the cooling of the wire after coating can be achieved very quickly by passing through a liquid, without modifying the crystal structure of the steel obtained prior to coating. Since the coating process occurs by passing the wire vertically from bottom to top, rapid cooling of the wire makes it possible to reduce the height of the installation, especially with high speeds of advance of the wire.
  • the object of the present invention is precisely to at least partially remedy the aforementioned drawbacks.
  • the subject of this invention is a process for the continuous coating of a filiform steel substrate, by immersion of this substrate in a bath of molten coating metal according to claim 1.
  • the installation illustrated in FIG. 1 comprises a supply coil 1 of steel wire 2.
  • This steel wire 2 passes over a first guide roller 3 to go through various treatment stations 4, 5 and 6 intended respectively for cleaning, rinsing and drying the wire 2.
  • a drawing capstan 3a brings the steel wire 2 to the below a graphite spout 7 of a crucible 8 containing a bath 9 of molten metal heated by a heating body 10 housed in the wall of the crucible 8.
  • the steel wire 2 Before crossing the spout 7 of the crucible provided with two openings 11 and 12 aligned vertically for this purpose, the steel wire 2 passes through a tubular conduit 13 whose entry is controlled by a seal 14.
  • This tubular conduit is connected to a source of protective gas 15 for example H2 + N2 and is surrounded by an electric coil 16 for preheating supplied by a high frequency HF source.
  • the maximum wire temperature is a function of the preheating temperature and the thickness of the deposited layer.
  • cooling is carried out relatively quickly for mild steels with less than 0.1% carbon.
  • too rapid cooling is not acceptable since these steels must be maintained at a temperature of the order of 550 ° C., corresponding to the maximum temperature of the TTT curve, for ten seconds to obtain the desired fine-grained ferrite-parlite crystal structure.
  • this temperature is obtained by passing the steel wire coated with copper or brass in a bath of molten lead.
  • this solution is difficult to implement, this is the reason why it is proposed to use a fluidized bed 17, which can be supplied by an air circuit 18 associated with a heating device 19. Part of the heat required comes directly from the wire 2 itself.
  • a thermal probe 20 makes it possible to regulate the temperature of the air as a function of the quantity of heat necessary to maintain the temperature of the fluidized bed at 540 ° C.
  • a second cooling system 21 with circulation of water is arranged above the fluidized bed 17 to complete the cooling of the wire 2 before it passes over a guide roller 3b which is suspended by means of a elastic tension regulation system 22 of wire 2 which is used to regulate the drawing capstan 3a, so as to obtain a low tension during coating. From this roller, the wire 2 is led to a storage drum 23. Since a mild steel wire heated to 700 ° C-800 ° C becomes very fragile in contact with molten copper in particular, the tension exerted by the voltage regulator 22 must not exceed 15 MPa.
  • FIGS. 2 and 3 respectively show and schematically the T.T.T. (transformation-time-temperature) of mild steel and steel with higher carbon content.
  • the curve for controlled cooling of the steel wire coated with a metal whose melting point is higher than the austenization temperature of the steel is plotted on each of these diagrams.
  • three metals and alloys are used, namely, copper, brass and silver.
  • the mild steel wire coated with copper finds applications in the electrical field, as telephone wire, electrically conductive spring, ground wire of an electrical transmission conduit for example.
  • the 0.7% carbon steel wire covered with brass finds particular application as a reinforcement wire for tires with radial carcass.
  • the mild steel wire coated with silver finds electronic applications.
  • the coated wire has a section substantially greater than that of the finished wire so that the thickness of the coating metal decreases at the same time as the diameter of the wire during the re-drawing of this wire. This operation does not cause deterioration of the deposited metal layer if it adheres well to this wire.
  • This example relates to the deposition of a layer of copper on a mild steel wire.
  • a steel wire with less than 0.1% carbon, 1 mm in diameter, is used for this purpose.
  • the first operation consists of an alkaline electrochemical degreasing at 60 ° C followed by an attack in an HCl bath and drying.
  • the actual coating phase which consists of preheating the wire 2 using the coil 16 supplied with high frequency current, the wire 2 passing at this time the tubular conduit 13 in which prevails an atmosphere of 20% H2 + N2 at a pressure of 5 mm of water column.
  • the temperature of the steel wire 2 is thus brought to 740 ° C. at the moment when it enters the beak 7 of the crucible 8 through the opening 11.
  • the beak of the crucible contains 70 g of liquid Cu at the temperature of 1120 ° C. corresponding to a 5 mm thick liquid bath.
  • the wire is cooled in air for 10 seconds before entering the water cooling enclosure 21.
  • the running speed of the wire 2 is 30 m / min.
  • the copper layer obtained is a 200 ⁇ m concentric layer adhering around the steel wire 2.
  • the wire can then be drawn with an 80% reduction in its section.
  • the steel wire used in this example is a 0.7% carbon steel wire with a diameter of 1 mm.
  • the preparation of this wire is identical to that of the wire of Example 1 as well as its preheating.
  • the spout 7 of the crucible 8 contains a layer of 40 mm of brass comprising 60% Cu and 40% Zn at a temperature of 1000 ° C.
  • the brass-coated wire enters the fluidized bed 17, the temperature of which is maintained at 540 ° C.
  • the wire feed speed is 30 m / min and the fluidized bed offers a path length of 5 m so that the wire is kept at this temperature of the order of 550 ° C for 10 s, the time to bring this steel in the fine-grained ferrite-cementite zone.
  • the layer obtained at a thickness of 15 ⁇ m formed concentrically around the steel wire is adhered to its surface.
  • a mild steel wire with less than 0.1% carbon 1 mm in diameter is coated with a layer of Ag.
  • This wire is cleaned and preheated under the same operating conditions as those of the previous examples.
  • the spout 7 of the crucible contains 70 g of liquid Ag at 990 ° C in an atmosphere of 10% H2 + N2.
  • Example 2 The cooling takes place in air as in Example 1 and an adherent and concentric layer of Ag 50 ⁇ m thick is obtained.
  • Each of the wires obtained according to one of the preceding examples has a diameter several times greater than the desired diameter.
  • the wire of Example 2 is then re-drawn to be brought to a final diameter of 0.25 mm.

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Abstract

Le fil d'acier (2) à revêtir est amené à travers le bec en graphite (7) d'un creuset (8) rempli d'un bain (9) de métal en fusion, après avoir été préalablement chauffé dans un conduit tubulaire (13) rempli de gaz protecteur par une bobine electrique (16) alimentée par une source de haute fréquence (HF), à une température inférieure à celle du métal en fusion contenu dans le bec (7). La température de fusion de ce métal est supérieure à la température d'austénisation de l'acier. En sortant du bec (7) le fil d'acier revêtu est alors refroidi de manière contrôlée pour éviter qu'il ne se trempe, par exemple, s'il s'agit d'un acier à ~0,7% de carbone, en le faisant passer quelques secondes dans un lit fluidisé (17) dont la température est maintenue à une température de l'ordre de 550°C.

Description

  • La présente invention se rapporte à un procédé de revête­ment en continu d'un substrat filiforme d'acier par immersion de ce substrat dans un bain de métal de revêtement en fusion.
  • Le revêtement en continu d'un substrat filiforme par immersion implique le passage rapide de ce substrat, dont la température est inférieure à celle du métal de revêtement en fusion, à travers un bec d'un creuset rempli de ce métal en fusion qui se solidifie rapidement au contact de ce substrat relativement plus froid.
  • On a déjà proposé de nombreuses solutions basées sur ce principe par exemple dans le GB-982.051 ou dans le FR 1.584.626. Ces procédés ont généralement en commun de traver­ser le bec du creuset contenant le métal en fusion en se déplaçant de bas en haut, la vitesse, la section du passage et la mouillabilité du bec empêchant l'écoulement du métal en fusion.
  • On a déjà utilisé cette technique pour former un revête­ment sur un fil dont la section est supérieure à celle dési­rée, ce fil étant alors retréfilé une fois revêtu pour l'ame­ner à la section finale. Dans le cas de fils d'acier, il est nécessaire que la structure cristalline de l'acier soit suffi­sament adoucie ce qui implique que ce fil ait subit préalable­ment un chauffage à sa température d'austénisation suivi d'un refroidissement contrôlé en fonction de la composition de l'acier en vue de lui conférer la structure cristalline re­cherchée. Jusqu'ici, cette technique a été appliquée avec des métaux de revêtement dont le point de fusion était inférieur à la température d'austénisation de l'acier, de sorte que l'on soumettait le fil d'acier au traîtment thermique destiné à former la structure nécessaire pour le rendre tréfilable, préalablement au revêtement, étant donné que ce revêtement était réalisé à une température inférieure à celle d'austéni­sation. Dans ces conditions, le refroidissement du fil après revêtement peut être réalisé très rapidement par passage dans un liquide, sans modifier la structure cristalline de l'acier obtenu préalablement au revêtement. Etant donné que le pro­cessus de revêtement se produit par le passage du fil vertica­lement de bas en haut, un refroidissement rapide du fil permet de réduire la hauteur de l'installation surtout avec des vitesses élevées d'avance du fil.
  • Il existe cependant des applications importantes du point de vue économique, où il serait nécesaire de produire des fils d'acier de faible section revêtus de métaux dont le point de fusion est sensiblement supérieur à la température d'austéni­sation de l'acier. D'une part, la section est trop faible pour que le fil d'acier puisse résister mécaniquement à chaud aux efforts de tractions nécessaires pour le faire défiler à travers le bain de métal en fusion, d'autre part, avec une section suffisante pour résister aux conditions opératoires, le refroidissement non contrôlé du fil revêtu engendrerait dans le fil d'acier une structure cristalline qui le rendrait inapte à subir un tréfilage ultérieur, de sorte que ce fil ne pourrait plus être amené à la section désirée.
  • Le but de la présente invention est précisément de remé­dier au moins en partie aux inconvénients susmentionnés.
  • A cet effet, cette invention à pour objet un procédé de revêtement en continu d'un substrat filiforme d'acier, par immersion de ce substrat dans un bain de métal de revêtement en fusion selon la revendication 1.
  • Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé.
    • La figure 1 est une vue en élévation d'une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé.
    • Les figures 2 et 3 sont des diagrammes T.T.T. (transfor­mation-température-temps) de deux types d'aciers.
  • L'installation illustrée par la figure 1 comprend une bobine d'alimentation 1 en fil d'acier 2. Ce fil d'acier 2 passe sur un premier galet de guidage 3 pour se diriger à travers différents postes de traitement 4, 5 et 6 destinés respectivement au nettoyage, au rinçage et au séchage du fil 2. Un cabestan de tirage 3a, ramène le fil d'acier 2 au-­ dessous d'un bec en graphite 7 d'un creuset 8 contenant un bain 9 de métal en fusion chauffé par un corps de chauffe 10 logé dans la paroi du creuset 8.
  • Avant de traverser le bec 7 du creuset muni de deux ouvertures 11 et 12 alignées verticalement à cet effet, le fil d'acier 2 passe dans un conduit tubulaire 13 dont l'entrée est contrôlée par un joint 14. Ce conduit tubulaire est relié à une source de gas protecteur 15 par exemple du H₂+N₂ et est entouré par un bobinage électrique 16 de préchauffage alimenté par une source de haute fréquence HF. La température maximale du fil est fonction de la température de préchauffage et de l'épaisseur de la couche déposée.
  • Suivant le type d'acier utilisé pour constituer le substrat filiforme 2, le refroidissement est réalisé relative­ment rapidement pour des aciers doux à moins de 0,1% de car­bone. Pour des aciers à plus forte teneur en carbone, le refroidissement trop rapide n'est pas acceptable étant donné que ces aciers doivent être maintenus à une température de l'ordre det 550°C, correspondant à la température maximum de la courbe TTT, pendant une dizaine de secondes pour obtenir la structure cristalline ferrite-parlite à grain fin désirée. Généralement, cette température est obtenue en faisant passer le fil d'acier revêtu de cuivre ou de laiton dans un bain de plomb fondu. Toutefois, compte tenu du fait que le processus de revêtement selon l'invention se déroule le long d'une trajectoire verticale, cette solution est difficile à mettre en oeuvre, c'est la raison pour laquelle il est proposé d'uti­liser un lit fluidisé 17, qui peut être alimenté par un cir­cuit d'air 18 associé à un dispositif de chauffage 19. Une partie de la chaleur nécessaire provient directement du fil 2 lui-même. Une sonde thermique 20 permet de réguler la tempéra­ture de l'air en fonction de la quantité de chaleur nécessaire pour maintenir la température du lit fluidisé à 540°C.
  • Un second système de refroidissement 21 à circulation d'eau est disposé au-dessus du lit fluidisé 17 pour terminer le refroidissement du fil 2 avant que celui-ci ne passe sur un galet de guidage 3b qui est suspendu par l'intermédiaire d'un système élastique de régulation de tension 22 du fil 2 qui sert à réguler le cabestan de tirage 3a, de façon à obtenir une faible tension durant le revêtement. De ce galet, le fil 2 est conduit à un tambour de stockage 23. Etant donné qu'un fil en acier doux chauffé à 700°C-800°C devient très fragile au contact du cuivre fondu en particulier, la tension exercée par le régulateur de tension 22 ne doit pas excéder 15 MPa.
  • Différents métaux et alliages ont été déposés sur des fils d'acier de différents types, le point commun entre les exemples qui vont suivre est de donner à l'acier une structure cristalline ferrite-perlite fine, grâce à un refroidissement contrôlé. Comme on le verra dans ces exemples, dans le cas d'aciers doux à moins de 0,1% de carbone, un simple refroidis­sement à l'air peut être suffisamment lent pour obtenir la structure cristalline désirée, de sorte que dans ce cas le lit fluidisé 17 peut être supprimé, une distance suffisante étant ménagée entre la sortie du bec 7 et le sytème de refroidisse­ment 21 pour permettre d'obtenir la structrue cristalline désirée. Par contre avec des aciers à plus forte teneur en carbone, présentant une plus grande trempabilité, il est né­cessaire de maintenir le fil à une température de 540°C durant quelques secondes pour éviter la trempe à l'air ambiant et pour obtenir une structure cristalline ferrite-perlite fine. Les diagrammes des figures 2 et 3 montrent respectivement et schématiquement les courbes T.T.T. (transformation-temps-­température) d'un acier doux et d'un acier à plus haute teneur en carbone. On a tracé sur chacun de ces diagrammes la courbe de refroidissement contrôlé du fil d'acier revêtu d'un métal dont le point de fusion est supérieur à la température d'aus­ténisation de l'acier.
  • Dans les exemples qui vont suivre, on utilise trois métaux et alliage à savoir, le cuivre, le laiton et l'argent. Le fil d'acier doux revêtu de cuivre trouve des applications dans le domaine électrique, en tant que fil téléphonique, ressort électriquement conducteur, fil de terre d'un conduit de transmission électrique par exemple. Le fil d'acier à 0,7% de carbone recouvert de laiton trouve notamment une applica­tion en tant que fil de renforcement des pneux à carcasse radiale. Enfin le fil d'acier doux revêtu d'argent trouve des applications électroniques. Dans chacun de ces cas, le fil revêtu a une section sensiblement supérieure à celle du fil terminé de sorte que l'épaisseur du métal de revêtement dimi­nue en même temps que le diamètre du fil lors du retréfilage de ce fil. Cette opération n'entraîne pas de détérioration de la couche de métal déposée si celle-ci adhère bien à ce fil.
    • EXEMPLE 1
  • Cet exemple se rapporte au dépôt d'une couche de cuivre sur un fil d'acier doux.
  • On utilise à cet effet un fil d'acier à moins de 0,1% de carbone, de 1 mm de diamètre. La première opération consiste en un dégraissage électrochimique alcalin à 60°C suivi d'une attaque dans un bain de HCl et d'un séchage. Suite à cette phase de préparation du substrat, commence la phase de revête­ment proprement dit qui consiste à préchauffer le fil 2 à l'aide de la bobine 16 alimentée en courant de haute fréquen­ce, le fil 2 traversant à ce moment le conduit tubulaire 13 dans lequel règne une atmosphère de 20% H₂ + N₂ à une pression de 5 mm de colonne d'eau. La température du fil d'acier 2 est ainsi portée à 740°C au moment où il pénètre dans le bec 7 du creuset 8 par l'ouverture 11. Le bec du creuset contient 70 g de Cu liquide à la température de 1120°C correspondant à un bain de liquide de 5 mm d'épaisseur.
  • Ensuite le fil est refroidi à l'air pendant 10 secondes avant de pénétrer dans l'enceinte de refroidissement à eau 21. La vitesse de défilement du fil 2 est de 30m/mn. La couche de cuivre obtenue est une couche de 200 µm concentrique et adhé­rente autour du fil d'acier 2. Le fil peut ensuite être tréfi­lé avec une réduction de 80 % de sa section.
    • EXEMPLE 2
  • Le fil d'acier utilisé dans cet exemple est un fil d'a­cier à 0,7% de carbone de 1 mm de diamètre. La préparation de ce fil est identique à celle du fil de l'exemple 1 de même que son préchauffage.
  • Le bec 7 du creuset 8 contient une couche de 40 mm de laiton comprenant 60% Cu et 40% Zn à une température de 1000°C.
  • A la sortie du bec 7, le fil recouvert de laiton pénètre dans le lit fluidisé 17 dont la température est maintenue à 540°C. La vitesse d'avance du fil est de 30 m/mn et le lit fluidisé offre une longueur de cheminement de 5 m de sorte que le fil est maintenu à cette température de l'ordre de 550°C pendant 10s, le temps pour amener cet acier dans la zone ferrite-cementite à grain fin. La couche obtenue à une épais­seur de 15 µm formée concentriquement autour du fil d'acier est adhérant à sa surface.
    • EXEMPLE 3
  • On revêt un fil d'acier doux à moins de 0,1% de carbone de 1 mm de diamètre d'une couche d'Ag.
  • On procède au nettoyage et au préchauffage de ce fil dans les mêmes conditions opératoires que celles des exemples pré­cédents.
  • Le bec 7 du creuset contient 70 g d'Ag liquide à 990°C dans une atmosphère de 10% H₂ + N₂.
  • Le refroidissement s'effectue à l'air comme dans l'exem­ple 1 et on obtient une couche adhérente et concentrique d'Ag de 50 µm d'épaisseur.
  • Chacun des fils obtenus selon l'un des exemples précé­dents a un diamètre plusieurs fois supérieur au diamètre désiré. C'est ainsi par exemple que le fil de l'exemple 2 est ensuite retréfilé pour être amené à un diamètre final de 0,25 mm.
  • Il faut encore noter que sur le plan économique le fait de réaliser le recuit de l'acier en même temps que son revête­ment permet de supprimer une opération et donc de réduire les coûts de production dans une proportion non néglieable.

Claims (3)

1. Procédé de revêtement en continu d'un substrat fili­forme d'acier par immersion de ce substrat dans un bain de métal de revêtement en fusion, caractérisé par le fait que l'on choisit un métal de revêtement dont le point de fusion est supérieur à la température d'austénisation de l'acier, on préchauffe le substrat d'acier à une température inférieure à celle dudit bain, on le fait passer dans ce bain pour le revêtir et amener en même temps sa température à la tempéra­ture d'austénisation, on refroidit ensuite le substrat ainsi revêtu à une vitesse contrôlée apte à conférer à l'acier dudit substrat une structure cristalline adoucie et on tréfile le substrat ainsi revêtu pour l'amener à la section désirée.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on revêt un substrat filiforme en acier doux de moins de 0,1% de carbone et que l'on refroidit ensuite ce substrat à une vitesse choisie pour obtenir une structure ferrite-perlite.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on revêt un substrat filiforme en acier contenant plus de 0,2% de carbone et que l'on abaisse rapidement la température de ce substrat revêtu jusqu'à une température de l'ordre de 550°C puis que l'on maintient le substrat à cette température jusqu'à la transformation en une structure ferri­te-perlite à grain fin et on termine alors le refroidissement du substrat.
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