[0001] La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique à haute résistance
mécanique, haute résistance à la corrosion et très bonne stabilité structurale.
[0002] Pour la fabrication d'équipements destinés notamment à des installations de dépollution
de fumées, à des plates-formes pétrolières, à l'industrie chimique, à celle de la
pâte à papier, on utilise des aciers inoxydables austénitiques ou superausténitiques
à haute résistance mécanique et à haute résistance à la corrosion. Ces aciers inoxydables
contiennent en général de fortes proportions d'azote et de molybdène. De tels aciers
ont été décrits notamment dans deux brevets européens : EP-A-0.438.992 et EP-A-0.342.574
et dans la demande de brevet français FR-93-06468. Mais ces aciers présentent l'inconvénient
d'une certaine incompatibilité entre une bonne tenue à la corrosion et une bonne stabilité
structurale. Il en résulte par exemple une certaine difficulté à concilier les opérations
de fabrication d'équipements tels que le soudage ou le formage à chaud et une très
haute résistance à la corrosion de toutes les parties de ces équipements.
[0003] Les aciers inoxydables austénitiques à hautes caractéristiques mécaniques et haute
résistance à la corrosion connus ont également l'inconvénient de ne pas pouvoir être
utilisés sous forme de pièces massives. En effet, lors du refroidissement des pièces,
l'instabilité de la structure provoque des précipitations intermétalliques qui détériorent
très notablement la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques de l'acier.
[0004] Le but de la présente invention est de proposer un acier inoxydable austénitique
à hautes caractéristiques mécaniques et qui présente simultanément une très grande
résistance à la corrosion en milieu chloruré et une très bonne stabilité structurale.
[0007] De préférence, la composition chimique de l'acier selon l'invention satisfait la
formule suivante :
ce qui assure que la cinétique de précipitation des phases intermétalliques sera
la plus lente possible.
[0008] En outre, afin d'obtenir la meilleure résistance à la corrosion possible, la composition
chimique de l'acier doit vérifier :
[0009] Enfin et pour obtenir des caractéristiques mécaniques très élevées, la composition
chimique de l'acier doit, de préférence satisfaire la relation :
[0010] Suivant l'invention, cet acier peut être utilisé pour la fabrication de pièces massives.
Il peut également être utilisé pour la fabrication d'équipements pour plates-formes
pétrolières massives ou pour la fabrication d'équipements pour usines chimiques, pour
usines de pâte à papier, d'installations de dépollution ou encore pour la fabrication
de récipients pour le transport de produits corrosifs, ou enfin, pour la fabrication
de coques de navire. Cet acier peut également servir à fabriquer des tôles plaquées.
[0011] L'invention va maintenant être décrite en détail mais de façon non limitative.
[0012] L'homme du métier connaît les aciers inoxydables austénitiques qui sont les alliages
à base de fer et à forte teneur en chrome et en nickel qui ont une structure naturellement
austénitique à l'état solide pratiquement à toute température. Pour la plupart de
ces aciers, la structure n'est pas 100 % austénitique au voisinage du point de solidification
mais le devient dès que la température s'abaisse. Pour certains de ces aciers, dits
superausténitiques, la structure est 100 % austénitique dès la solidification. Ces
aciers sont supposés connus.
[0013] Les inventeurs ont constaté de façon inattendue qu'en ajoutant simultanément à ces
aciers des teneurs élevées en azote : de 0,35 % en poids à 0,8 % en poids, et de préférence
de 0,4 % à 0,55 % et en tungstène : de 1 % en poids à 5 % en poids, et de préférence
2 % à 3,5 %, on obtenait tout à la fois de hautes caractéristiques mécaniques, une
très grande résistance à la corrosion en milieu chloruré et une très bonne stabilité
structurale, c'est-à-dire une cinétique de précipitation de phases intermétalliques
à haute température très lente.
[0014] La très bonne stabilité structurale permet de fabriquer des pièces massives notamment
: tôles fortes, tubes épais, pièces forgées, pièces moulées ou des assemblages soudés
dont les propriétés mécaniques et de tenue à la corrosion sont en tous points, y compris
au voisinage des soudures, excellentes.
[0015] Il est préférable que ces aciers contiennent en poids, outre l'azote et le tungstène
dans les teneurs déjà citées, les éléments indiqués ci-dessous.
- Chrome : plus de 23 % pour assurer une bonne résistance à la corrosion localisée et une
bonne solubilité de l'azote, moins de 28 % et de préférence moins de 26 % pour limiter
les risques de précipitation de carbures de chrome.
- Nickel : plus de 15 % et préférentiellement plus de 21 % pour assurer une solidification
austénitique qui garantit une bonne solubilité de l'azote, pour obtenir une bonne
résistance à la corrosion en milieu sulfurique et pour limiter la propagation de la
corrosion localisée, moins de 28 % et de préférence moins de 23 % pour ne pas trop
réduire la solubilité de l'azote, et parce que le nickel est un métal cher.
- Manganèse : plus de 0,5 % et de préférence plus de 2 % pour obtenir une solubilité suffisante
de l'azote et pour limiter la susceptibilité à la fissuration à chaud, moins de 6
% et de préférence moins de 3,5 % pour limiter les risques de précipitation de phases
intermétalliques et limiter l'usure des réfractaires lors de l'élaboration.
- Cuivre : de 0 % à 5 % et de préférence de 1 % à 2 % pour améliorer la résistance à la corrosion
en milieu sulfurique et chloruré acide.
- Molybdène : La teneur pondérale de l'acier en molybdène doit être de plus de 3 % et de préférence
de plus de 4,5 % afin d'améliorer la résistance à la corrosion localisée, la solubilité
de l'azote, les caractéristiques mécaniques à la température ambiante et à haute température
et limiter les risques de fissuration à chaud au soudage ; mais cette teneur doit
être de moins de 8 % et de préférence de moins de 6,5 % pour éviter la formation de
ségrégations et la précipitation de phases intermétalliques.
[0016] Les rôles de l'azote et du tungstène sont les suivants :
- L'azote permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées, une bonne tenue
à la corrosion localisée, une bonne stabilité structurale ; mais en excès, il détériore
la résilience.
- Le tungstène permet d'obtenir une bonne résistance à la corrosion en milieux chlorurés
acides et réducteurs, une bonne résistance à la corrosion par crevasse lorsqu'il est
associé au molybdène et à l'azote, de renforcer les caractéristiques mécaniques à
la température ambiante et à haute température ; mais en excès, il provoque des précipitations
défavorables aux propriétés d'emploi.
[0017] De tels aciers contiennent toujours un peu de carbone, de silicium et d'aluminium.
La teneur en carbone doit être inférieure à 0,06 % et de préférence inférieure à 0,03
% pour éviter la précipitation de carbure aux joints de grains.
[0018] Le silicium et l'aluminium qui ont servi de désoxydants au cours de l'élaboration
sont limités à 1 % pour le silicium et 0,1 % pour l'aluminium.
[0019] D'autres éléments tels le magnésium, le cérium ou le calcium pourront être ajoutés
comme agents de désoxydation.
[0020] On peut également ajouter jusqu'à 0,5 % de niobium et/ou vanadium pour améliorer
les caractéristiques mécaniques.
[0022] Avec cette composition chimique on obtient un acier inoxydable austénitique dont
la limite d'élasticité Rp 0,2 % à l'ambiante est supérieure à 420 MPa, et dont la
stabilité structurale caractérisée par la cinétique de précipitation de phases intermétalliques
à 850°C est supérieure à celles des nuances par ailleurs équivalentes. Il en résulte
que la résistance à la corrosion n'est pas affectée par un cycle thermique correspondant
à une mise en oeuvre telle que le soudage, ce qui n'est pas le cas des aciers selon
l'art antérieur.
[0023] A titre d'exemple, on a réalisé un acier dont la composition chimique est la suivante
:
Cr = 23,7 % |
C = 0,015 % |
Ni = 21,5 % |
Mn = 2 % |
Mo = 5 % |
Si = 0,2 % |
N = 0,45 % |
Nb = 0,02 % |
W = 2 % |
V = 0,15 % |
Cu = 1,5 % |
Al = 0,02 %. |
[0024] Cet acier présente une limite d'élasticité de 452 MPa, un coefficient de sensibilité
à la corrosion par piqûre PRENW = 50,8 et un coefficient de sensibilité aux précipitations
CP = 627 si bien que le temps d'incubation pour la précipitation de composés intermétalliques
à 850°C est de 180 s.
[0025] Après hypertrempe, la vitesse de corrosion en milieu chlorhydrique est de 100 MDJ
(mg/dm
2/jour) ; après hypertrempe suivie d'un traitement de sensibilisation par maintien
à 800°C pendant 15 mn, la vitesse de corrosion dans les mêmes conditions est de 200
MDJ.
[0026] Par comparaison, un acier suivant l'art antérieur et de composition :
Cr = 24 |
Mn = 3 |
Si = 0,4 |
Ni = 22 |
C = 0,01 |
Al = 0,02 |
Mo = 7 |
Nb = 0,2 |
|
N = 0,45 |
V = 0,15 |
|
présente une limite d'élasticité de 461 MPa, un PRENW = 54,3, un CP = 716, un temps
d'incubation pour la précipitation de 60 s, une vitesse de corrosion après hypertrempe
de 99 MDJ et une vitesse de corrosion après sensibilisation à 850° pendant 15 mn de
980 MDJ.
[0027] L'acier selon l'invention est beaucoup moins sensible à des cycles thermiques de
sensibilisation. Il en résulte qu'il est possible de réaliser des tôles plaquées constituées
d'une couche d'acier selon l'invention et d'une couche en acier de construction, dont
les propriétés du placage inoxydable sont comparables aux propriétés d'une tôle inoxydable
massive réalisée dans la même nuance.
[0028] L'acier selon l'invention ayant une grande stabilité structurale peut être utilisé
pour fabriquer notamment des pièces moulées, des pièces forgées, des barres laminées,
des tôles laminées, des profilés, des tubes sans soudure et des tubes soudés, en particulier
lorsque ces objets sont massifs, c'est-à-dire lorsqu'ils sont utilisés sous forme
de pièces épaisses c'est-à-dire d'épaisseur minimale supérieure à 4 mm, notamment
lorsqu'il s'agit de pièces d'épaisseur supérieure à 4 mm et inférieure à 40 mm ; elles
présentent alors une bonne homogénéité de caractéristiques dans l'épaisseur ; pour
des épaisseurs supérieures à 40 mm, la très bonne stabilité structurale permet de
conserver de hauts niveaux de résilience et de ductilité dans l'épaisseur.
[0029] Du fait de ses propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion, d'aptitude au
soudage et à la fabrication de pièces épaisses, l'acier selon l'invention peut être
utilisé avantageusement notamment pour fabriquer :
- des tubes, des brides, des collecteurs, des oléoducs, des gazoducs, des séparateurs,
des pompes, des compresseurs, des échangeurs destinés à être utilisés au contact de
l'eau de mer ou de fluides contenant des chlorures et de l'H2S, en particulier pour tout équipement de process ou circuit de sécurité incendie
véhiculant de l'eau de mer sur des plates-formes pétrolières marines,
- des tubes, brides, réservoirs, réacteurs, pompes, compresseurs et plus généralement
toute pièce ou paroi d'équipement pour l'industrie chimique, la fabrication de la
pâte à papier, l'hydrométallurgie, la dépollution travaillant au contact de fluides
ou d'effluents corrosifs et notamment lorsqu'il s'agit de corrosion par des milieux
chlorurés acides; dans l'industrie de la pâte à papier, sont concernés notamment les
filtres de chloration, les tours de blanchiment en particulier les tours de blanchiment
par le peroxyde d'hydrogène et l'ozone, les mixeurs, les lessiveurs, les imprégnateurs,
- des citernes pour le transport routier, ferroviaire ou maritime de produits corrosifs,
- des coques de navires,
- des équipements travaillant à haute température et notamment des équipements pour
la pétrochimie, la cimenterie, l'incinération d'ordures, les conduites de fumées,
les cheminées.
[0030] Ces applications ne sont pas exhaustives et plus généralement cet acier permet d'obtenir
une meilleure tenue en service qu'avec les aciers de l'art antérieur et à moindre
coût qu'avec des alliages à base nickel pour toutes les applications :
- en milieu chloruré oxydant,
- en milieu contenant des chlorures et de l'H2S,
- en milieu chloruré acide,
notamment lorsque les pièces réalisées doivent être épaisses ou massives ou lorsque
la température d'utilisation est élevée.
3. Acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en
ce que sa composition chimique satisfait à la relation suivante :
4. Acier inoxydable selon la revendication 3, caractérisé en ce que sa composition chimique
satisfait à la relation suivante :
5. Acier inoxydable selon la revendication 4, caractérisé en ce que sa composition chimique
satisfait à la relation suivante :
6. Utilisation d'un acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5
pour la fabrication de pièces massives.
7. Utilisation d'un acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5
pour la fabrication d'équipements pour plates-formes pétrolières marines.
8. Utilisation d'un acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5
pour la fabrication d'équipements pour usines chimiques, usines de pâte à papier,
installations d'hydrométallurgie et installations de dépollution.
9. Utilisation d'un acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5
pour la fabrication de récipients pour le transport de produits corrosifs.
10. Utilisation d'un acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5
pour la fabrication de coques de navires.
11. Utilisation d'un acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5
pour la fabrication de tôles plaquées constituées d'une couche en acier suivant l'invention
et d'une couche en acier de construction.
3. Nicht-rostender Stahl nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
seine chemische Zusammensetzung die nachstehende Beziehung erfüllt:
4. Nicht-rostender Stahl nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß seine chemische
Zusammensetzung die nachstehende Beziehung erfüllt:
5. Nicht-rostender Stahl nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß seine chemische
Zusammensetzung die nachstehende Beziehung erfüllt:
6. Verwendung eines nicht-rostenden Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung
massiver Teile.
7. Verwendung eines nicht-rostenden Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung
von Ausrüstungsteilen für marine Erdölplattformen.
8. Verwendung eines nicht-rostenden Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung
von Ausrüstungsteilen für chemische Fabriken, Papiermühlen, Hydrometallurgieanlagen
und Umweltschutzanlagen.
9. Verwendung eines nicht-rostenden Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung
von Behältern zum Transport korrodierender Produkte.
10. Verwendung eines nicht-rostenden Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung
von Schiffsrümpfen.
11. Verwendung eines nicht-rostenden Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung
von Zweilagenblechen, bestehend aus einer Schicht aus erfindungsgemäßem Stahl und
einer Schicht aus Baustahl.
3. Stainless steel according to either one of Claims 1 or 2, characterized in that its
chemical composition complies with the following statement:
4. Stainless steel according to Claim 3, characterized in that its chemical composition
complies with the following statement:
5. Stainless steel according to Claim 4, characterized in that its chemical composition
complies with the following statement:
6. Use of a stainless steel according to any one of Claims 1 to 5 for manufacturing solid
parts.
7. Use of a stainless steel according to any one of Claims 1 to 5 for manufacturing equipment
for offshore oil rigs.
8. Use of a stainless steel according to any one of Claims 1 to 5 for manufacturing equipment
for chemical works, paper pulp factories, hydrometallurgy installations and pollution
control installations.
9. Use of a stainless steel according to any one of Claims 1 to 5 for manufacturing containers
for transporting corrosive products.
10. Use of a stainless steel according to any one of Claims 1 to 5 for manufacturing ships'
hulls.
11. Use of a stainless steel according to any one of Claims 1 to 5 for manufacturing plated
sheet steel made up of one layer of steel according to the invention and one layer
of structural steel.