Acier inoxydable austéno-ferritique

Abstract

 Alliage d'acier inoxydable austéno-ferriti­que ayant une bonne tenue à la corrosion et un indice d'usinabilité comportant une faible teneur en molybdè­ne et une forte teneur en cuivre mis en solution par traitement thermique de l'alliage au-dessus de 900°C, la composition étant la suivante :

	C <	0,06	% en poids
	Si <	1,2
	Mn <	3
21	< Cr <	25
3	< Ni <	6
0,06	< N <	0,3
	Mo <	1
1	<Cu <	3,5

le solde étant du fer dont. La composition est équili­brée pour obtenir entre 30 et 70 % de ferrite à l'aus­ténite.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un acier inoxydable austéno-ferritique.

[0002] On connaît des aciers inoxydables austéno-­ferritiques ayant de bonnes propriétés mécaniques, une bonne résistance à la corrosion et une bonne soudabi­lité.

[0003] De tels alliages comprennent, outre le fer qui constitue le solde, du
- chrome et du molybdène de façon à améliorer les propriétés résistance à la corrosion ;
- nickel et azote de façon à améliorer la stabilité de la phase austénitique ;
- carbone en faible pourcentage car il affecte la ré­sistance à la corrosion compte tenu de sa faible solu­bilité dans la ferrite ;
- silicium ;
- manganèse.

[0004] La demande de brevet EP 0.156.778 décrit ainsi un alliage d'acier inoxydable austéno-ferritique dont la phase austénitique reste stable autorisant des déformations à froid entre 10 et 30 %, une bonne sou­dabilité et une bonne résistance à la corrosion.

[0005] La composition d'un tel alliage est la sui­vante :

	C <	0,06	en poids
	Si <	1,5
	Mn <	4,0
21	< Cr <	24,5
2	< Ni <	5,5
0,01	< Mo <	1,0
0,05	< N <	0,3
0,01	<Cu <	1,0

le solde étant du Fe, les composés ci-dessus devant répondre par ailleurs aux conditions suivantes :
- pourcentage de ferrite α entre 35 et 65
- pourcentage de ferrite α < 0,20 (% Cr/% N) + 23
- (% Cr + % Mn)/% N > 120.
- 22,4 x % Cr + 30 x % Mn + 22 x % Mo + 26 x % Cu + 110 x % N > 540.
- % Mo + % Cu > 0,15 avec % Cu d'au moins 0,005 %.

[0006] De tels alliages ont une phase austénitique stable qui n'a pas tendance à se transformer en mar­tensite mais ils sont difficilement usinables et leurs propriétés mécaniques restent faibles.

[0007] La présente invention a pour but la réalisa­tion d'un alliage austéno-ferritique dont la tenue à la corrosion est ameliorée par rapport aux alliages existants et qui présente un indice élevé d'usinabi­lité.

[0008] Un tel alliage possède un faible pourcentage de molybdène mais une forte teneur en cuivre, ce der­nier étant mis en solution par traitement thermique au-dessus de 900°C, la composition de cet alliage étant la suivante, exprimée en pourcentage en poids.

	C <	0,06
	Si <	1,2
	Mn <	3
21	< Cr <	25
3	< Ni <	6
0,06	< N <	0,30
	< Mo <	1
1	<Cu <	3,5

le solde étant du Fe. La composition est équilibrée pour obtenir entre 38 et 70 % de ferrite à 300° K.

[0009] D'autres avantages et caractéristiques ap­paraîtront à la lecture de la description qui va sui­vre de modes de réalisation particuliers de l'alliage selon l'invention, la figure unique annexée représen­tant les domaines de durcissement de l'alliage dans un diagramme temps, température.

[0010] Deux alliages particuliers A et B sont ana­lysés comparativement à des alliages de composition connue, notamment l'UNS 32304 correspondant à l'allia­ge décrit dans la demande de brevet EP 0.156.778.

	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	N
A	0,02	0,6	1,9	4,1	23,5	0,13	1,60	0,1
B	0,02	0,5	2	3,9	24,3	0,14	2,8	0,09
AISI 304L	0,02	0,6	1,3	10	18,2	0,03	0,02	0,05
AISI 316	0,025	0,5	1,5	11,5	17,5	2,3	0,03	0,05
UNS 32304	0,02	0,5	1,8	4,2	23	0,13	0,127	0,123
UNS 31803	0,02	0,5	1,7	5,7	21,9	2,75	0,135	0,120

[0011] Dans le tableau ci-dessus, on a récapitulé les compositions en éléments d'addition au Fe pour les alliages A et B selon l'invention et les alliages connus.

[0012] Les alliages de l'invention sont réalisés par fusion jusqu'à 1600°C minimum et réchauffés à 1180°C environ après solidification. Ils subissent un lami­nage en tôles. Des prélèvements sont effectués afin de déterminer la stabilité structurale en fonction des traitements thermiques et plus particulièrement le durcissement, les caractéristiques mécaniques et physiques, la résistance à la corrosion ainsi que l'aptitude à l'usinabilité.

[0013] Au préalable, il est nécessaire d'étudier l'influence des différents éléments d'addition.
Le carbone est réduit à de faibles teneurs inférieures à 0,06 % afin de réduire les risques de formation de carbures au cours des traitements thermiques ce qui serait préjudiciable à la résistance à certaines for­mes de corrosion.
Le silicium est réduit à de faibles teneurs inférieu­res à 1,2 % afin de réduire les risques de formation de composés intermétalliques qui fragilisent l'allia­ge.
Le manganèse permet d'augmenter la mise en solution solide de l'azote dans l'alliage mais sa teneur doit être limitée à 3 % pour ne pas devenir préjudiciable à la tenue à la corrosion généralisée et localisée dans certains cas.
Le chrome est contrôlé de façon à ce que les fractions volumiques des phases ferritiques et austénitiques soient voisines. Une teneur trop faible ne permet pas d'obtenir une fraction volumique de ferrite suffisan­te.

[0014] Une teneur trop élevée peut nécessiter des additions importantes de nickel et d'azote, ce qui, compte tenu du prix du nickel, doit être évité. De plus, l'alliage a une tendance accrue à la précipita­tion de phases intermétalliques fragilisantes lors des traitements thermiques.

[0015] Aussi de façon classique on utilise on utilise des te­neurs en chrome comprises entre 21 et 25 %, plus exac­tement une teneur de 23,5 %. A un tel pourcentage, l'alliage a une excellente résistance à la corrosion.

[0016] Une telle teneur en chrome associée à une faible teneur en nickel et molybdène permet d'éviter, même pour des traitements thermiques de quelques heu­res, la formation d'une phase α′, par démixtion de la phase α, durcissante et fragilisante. La formation d'une telle phase α′ intervient lors de traitements thermiques entre 300 et 500°C.
Le nickel est un élément qui stabilise la phase austé­nitique de façon à optimiser l'équilibre austénite/­ferrite. Compte tenu de son prix on limite son addi­tion entre 3 et 6 % plus particulièrement 4,2 %.
L'azote intervient pour maintenir l'équilibre austéni­te/ferrite et de plus une telle addition permet d'ac­croître les caractéristiques mécaniques et la tenue à la corrosion par piqûres. L'addition de l'azote est limitée à 0,30 et souvent voisine de 0,13 %.

[0017] Le molybdène est limité à un pourcentage de 1 % maximum de façon à réduire les coûts de fabrication de l'alliage et à limiter la formation de phases intermétalliques. Le molybdène améliore la tenue à la corrosion de l'alliage.

[0018] Le cuivre, contrairement aux alliages connus, est présent dans des pourcentages relativement importants entre 1 et 3,5 %. Cet élément est générale­ment présent en faible quantité dans les alliages connus car sa solubilité dans les alliages austéno-­ferritiques lors du refroidssement est limitée.

[0019] Par contre, selon l'invention, une mise en solution par traitement thermique à haute température à des températures supérieures à 950°C est possible. Cette étape doit être suivie d'un refroidissement rapide à l'ambiante de façon à ce que la structure austénite/ferrite soit exempte de précipitation et reste sursaturée en cuivre. Le cuivre : - augmente la tenue de l'alliage vis-à-vis de certains milieux acides notamment les milieux sulfuriques.
- améliore l'aptitude à l'usinabilité.

[0020] On a étudié la stabilité structurale de l'alliage B en fonction du temps et de la température ainsi que représenté à la figure en annexe.

[0021] Dans l'intervalle 300-600°C, un durcissement important de l'alliage se produit par précipitation de particules enrichies en cuivre dans la phase ferriti­que de l'alliage.

[0022] Ce durcissement est proportionnel pour un traitement thermique donné à la teneur en cuivre.

[0023] Par contre il y a un retard à la précipi­tation pour les maintiens à 700°-900°C dû à la stabilité de la phase ferritique vis-à-vis de la phase intermétallique, conférée par la très faible teneur en molybdène.

[0024] Les propriétés mécaniques sont récapitulées dans le tableau ci-dessous

	Dureté HV5	Caractérstiques de traction
		Re 0,2% MPa	Re 1% MPa	Rm MPa	A %	Z %
AISI 304	148	205	260	520	51	75
Alliage A	223	449	514	660	30,5	50,6
Alliage B	270	566	639	735	17,5	48,7
Alliage B durci	350	647	788	900	18,5	39

[0025] Quant à l'alliage B durci, il s'agit de l'alliage B auquel on a fait subir un traitement ther­mique de 5 h à 400°C.

[0026] Les alliages selon l'invention possèdent des propriétés mécaniques améliorées notamment les valeurs de la limite d'élasticité conventionnelle (Re 0,2 %) et de la limite d'élasticité à 1 % (Re 1 %) tout en conservant une valeur de la résilience sur éprouvette à entaille en V (KCV) et une ductilité (Allongement A) suffisantes.

[0027] Quant à la dureté, elle augmente sensible­ment notamment après traitement thermique.

[0028] L'indice d'usinabilité des alliages selon l'invention est amélioré de façon notable comparé aux alliages connus et notamment à l'alliage de la demande de brevet EP 0.156.778.

[0029] Les résultats sont récapitulés dans le ta­bleau suivant :

	HB	V 0,500 m/min	Nbr trous pour 500 mm
Alliage A	223	26	72
AISI 304L	148	8	33
UNS 31803	241	16	56
UNS 32304	234	11	33

[0030] Les trois paramètres étudiés sont la dureté Brinnel (HB), l'indice d'usinabilité pour une vitesse de coupe de 0,5 m/mn et un essai de perçage en nombre de trous correspondant à une longueur cumulée de 500mm (0,5 m).

[0031] Les alliages connus ont des valeurs de dure­té qui encadrent la valeur de dureté de l'échantillon A de l'alliage selon l'invention et l'ensemble des deux tests d'usinabilité montre des performances ne­ tement supérieures de l'alliage A.

[0032] Les essais de corrosion montrent que les avantages acquis ne le sont pas au détriment de la re­sistance à la corrosion.

[0033] Les mesures récapitulées dans le tableau ci-­dessous ont été obtenues en milieux acides (H₂SO₄ à 50°C).

	E corrosion mV/ecs	I a µA/cm²	I p µA/cm²	E rupture mV/ecs
UNS 32304	-430	1250	14	250
Alliage A	-460	1270	3	480
Alliage B	-460	2000	3,8	400

[0034] Pour l'obtention des courbes de polarisation qui ont conduit à ces résultats, le potential de dé­part est de -600 mV par rapport à une électrode au calomel saturé (ecs) et pour une vitesse de balayage de 0,25 mV/sec. Le retour a été réalisé pour un cou­rant de 100 µA jusqu'à -1100 mV/ecs.

[0035] Le courant de passivation Ip est réduit tandis que le potentiel de rupture est augmenté ce qui permet d'étendre le domaine d'emploi de l'alliage selon l'invention en matière de potentiel d'oxydo ré­duction.

[0036] Ceci est également dû au cuivre ce qui est confirmé par la résistance de l'alliage B après trai­tement thermique dans un milieu acide en présence de particules abrasives de diamètre 0,5 ; 1,19 et 2,38 mm (cf tableau ci-dessous) :

Résultat de perte de poids (mg) 8 h H₂SO₄ (2N)
	UNS 32304	ALLIAGE B DURCI	AISI 304
essai Statique	25	4	28
essai dynamique sans particule	8	0	8
essai dynamique particules 0,5 mm	34	35	58
essai dynamique particules 1,19 mm	97	73	110
essai dynamique particules 2,38 mm	130	99	136

[0037] L'alliage selon l'invention résoud le pro­blème posé, en améliorant les caractéristiques mécani­ques, l'usinabilité sans que ces améliorations soient préjudiciables aux qualités de résistance à la corro­sion.

[0038] Les améliorations des qualités de cet allia­ge lui sont conférées par l'augmentation du pourcenta­ge en cuivre et la solubilisation ou la précipitation partielle de ce dernier.

[0039] Ces résultats sont remarquables compte-tenu du fait que les alliages connus notamment UNS 32304 préconisent des pourcentages Cu + Mo = 1 % dans un mode de réalisation préféré.

[0040] Néanmoins, dans l'alliage selon l'invention, la teneur en Cu doit être limitée à 3,5 % afin d'évi­ter les risques majeurs de déchirures de produits lors de la mise en oeuvre.

[0041] Dans cette fourchette de 1 à 3,5 %, l'homme de l'art adaptera le pourcentage en fonction de l'uti­lisation de l'alliage.

[0042] De même des additions complémentaires connues permettent d'augmenter l'usinabilité telles que soufre, bismuth.

Revendications

1.- Alliage d'acier inoxydable austéno-­ferritique ayant une très bonne tenue à la corrosion et un bon indice d'usinabilité comportant une faible teneur en molybdène et une forte teneur en cuivre mis en solution par traitement thermique de l'alliage au-­dessus de 900°C, la composition étant la suivante :

	C <	0,06	% en poids
	Si <	1,2
	Mn <	3
21	< Cr <	25
3	< Ni <	6
0,06	< N <	0,3
	< Mo <	1
1	<Cu <	3,5

le solde étant du fer.

2.- Alliage d'acier inoxydable selon la re­vendication 1, caractérisé en ce qu'il a la composi­tion suivante :

C =	0,02	% en poids
Si =	0,6
Mn =	1,9
Ni =	4,1
Cr =	23,5
Mo =	0,13
N =	0,1
Cu =	1,6.

3.- Alliage d'acier inoxydable selon la re­vendication 1, caractérisé en ce qu'il a la composi­tion suivante :

C =	0,02
Si =	0,5
Mn =	2
Ni =	3,9
Cr =	24,3
Mo =	0,14
N =	0,09
Cu =	2,8.

4.- Alliage d'acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cuivre est solubilisé par un traitement thermi­que à 1600°C minimum suivi d'un retraitement à 1180°C après solidification.

5.- Alliage d'acier selon la revendication 4, caractérisé en ce que, de façon à précipiter par­tiellement le cuivre solubilisé, l'alliage subit un traitement thermique entre 300 et 500°C.

6.- Alliage d'acier inoxydable selon la re­vendication 5, caractérisé en ce que le traitement thermique est de 5 heures à 400°C.

Dessins