Acier inoxydable austénoferritique à très bas nickel et présentant un fort allongement en traction

Abstract

 Acier inoxydable austénoferritique à très bas nickel et présentant un fort allongement en traction caractérisé en la composition pondérale suivante :

  carbone < 0,04%

0,4% < silicium < 1,2%

2 % < manganèse < 4%

0,1% < nickel < 1%

18% < chrome < 22%

0,05% < cuivre < 4%

  soufre < 0,03%

  phosphore < 0,1%

0,1% < azote < 0,3%

  molybdène < 3%

l'acier présentant un biphasage compris entre 30 et 70% d'austénite, tel que

Creq = Cr% + Mo% + 1,5 Si%

Nieq = Ni% + 0,33Cu% + 0,5 Mn% + 30 C% + 30 N%

avec Creq/Nieq compris entre 2,3 et 2,75.

Description

[0001] Les aciers inoxydables sont classés par grandes familles en fonction de leur structures métallurgiques, après un traitement thermique.

[0002] On connaît les aciers inoxydables ferritiques martensitiques, austénitiques, austénoferritiques.

[0003] Cette dernière famille comprend des aciers qui sont généralement riches en chrome et en nickel, c'est à dire qu'ils comportent des teneurs respectives en chrome et nickel supérieure à 20% et supérieure à 4%. La structure de ces aciers, après traitement à une température comprise entre 950°C et 1150°C est constituée de ferrite et d'austénite en proportion généralement supérieure à 30% pour l'une et l'autre des deux phases.

[0004] Ces aciers ont de nombreux intérêts pratiques, en particulier, ils présentent à l'état recuit, par exemple à 1050°C, des caractéristiques mécaniques, notamment en limite élastique, plus élevées que les aciers inoxydables ferritiques ou austénitiques à l'état recuit. A l'inverse, la ductilité de ces aciers est du même ordre de grandeur que celle des aciers ferritiques et plus faible que celle des aciers austénitiques.

[0005] Un des avantages des aciers austénoferritiques concerne les propriétés de soudure. Après une opération de soudage, la structure de ces aciers inoxydables, en zone fondue et en zone affectée par la chaleur reste fortement polyphasée en ferrite et en austénite, contrairement aux aciers austénitiques dont la soudure reste principalement austénitique. ll en résulte des caractéristiques mécaniques élevées des soudures, caractéristiques recherchées lorsque des ensembles soudés doivent résister à des sollicitations mécaniques de fonctionnement.

[0006] Enfin, certains aciers austénoferritiques à austénite finement divisée peuvent présenter une plasticité élevée dite superplasticité lors de formages lents à chaud.

[0007] Ces aciers austénoferritiques présentent aussi des inconvénients, comme par exemple leur prix élevé en raison de leur composition à teneur élevée en nickel ou encore en raison de difficultés de fabrication notamment liées à leur forte teneur en chrome comme, par exemple, la formation d'une phase sigma fragilisante ou la démixtion en une ferrite riche en fer et une ferrite riche en chrome avec fragilisation des aciers lors du refroidissement après laminage à chaud.

[0008] Leur ductilité, mesurée par l'allongement en traction à température ambiante ne dépasse pas 35% ce qui rend difficile la mise en oeuvre par emboutissage, frappe ou tout autre procédé.

[0009] Il se produit aussi une fragilisation dans le cadre de l'utilisation de l'acier à température supérieure à 300°C, lorsque le maintien en température dépasse quelques heures.

[0010] Le but de l'invention est la mise au point d'un acier austénoferritique contenant dans sa composition une très faible teneur en nickel et présentant les caractéristiques avantageuses de la famille austénoferritique associées à des caractéristiques générales améliorées.

[0011] L'objet de l'invention est un acier inoxydable austénoferritique à très bas nickel et présentant un fort allongement en traction caractérisé en la composition pondérale suivante :

  carbone < 0,04%

0,4% < silicium < 1,2%

2 % < manganèse < 4%

0,1% < nickel < 1%

18% < chrome < 22%

0,05% < cuivre < 4%

  soufre < 0,03%

  phosphore < 0,1%

0,1% < azote < 0,3%

  molybdène < 3%,

l'acier présentant un biphasage compris entre 30 et 70% d'austénite, tel que :



   avec Creq/Nieq compris entre 2,3 et 2,75,
la stabilité de l'austénite dudit acier étant réglée par l'indice IM défini à partir de la composition pondérale de l'acier par

   IM devant être compris entre 40 et 115.

[0012] Les autres caractéristiques de l'invention sont :

• la composition satisfait la relation : Creq/Nieq compris entre 2,4 et 2,65.
• la teneur en soufre est inférieure ou égale à 0,0015%.
• l'acier comprend en outre dans sa composition pondérale de 0,010% à 0,030% d'aluminium.
• l'acier comprend en outre dans sa composition pondérale de 0,0005% à 0,0020% de calcium.
• l'acier comprend en outre dans sa composition pondérale de 0,0005% à 0,0030% de bore.
• la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,03%.
• la teneur en azote est comprise entre 0,12% et 0,2%.
• la teneur en chrome est comprise entre 19% et 21%.
• la teneur en silicium est comprise entre 0,5% et 1%.
• la teneur en cuivre est inférieure à 3%.
• la teneur en phosphore est inférieure ou égale à 0,04%.

[0013] La description qui suit complétée par la figure unique annexée, le tout donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre l'invention.

[0014] La figure unique présente une courbe montrant la dépendance de la caractéristique d'allongement avec l'indice IM.

[0015] L'invention concerne un acier austénoferritique contenant des teneurs en éléments d'alliage réduites et notamment une teneur en nickel inférieure à 1% et une teneur en chrome inférieure à 22%. La faible teneur en nickel est imposée, pour des raisons économiques et écologiques, la réduction de la teneur en chrome permettant d'une part, d'assurer une élaboration aisée de l'acier et d'autre part, d'éviter une fragilisation à chaud aussi bien lors de la fabrication dudit acier que lors de son usage.

[0016] L'invention résulte d'une recherche à la suite de laquelle on a constaté qu'un domaine spécifique de composition permet sur la famille de l'acier considéré, l'obtention d'une amélioration particulière en allongement en traction associée à une haute limite élastique.

[0017] L'acier peut être élaboré sous forme de produits moulés ou forgés, de tôles laminées à chaud ou à froid, de barres, de tubes ou de fils.

[0018] Il a été réalisé différentes coulées dont les compositions sont présentées dans le tableau 1 suivant :

[0019] Composition pondérale des aciers :

	D	C	B	A	A (bas S)	E	F	C (bas S)	C	C (bas S, B)
C	0.028	0.025	0.031	0.033	0.03	0.03	0.032	0.033	0.036	0.033
Si	0.538	0.525	0.485	1.055	1.06	1.10	0.575	0.494	0.947	0.538
Mn	3.718	3.747	3.786	4.073	3.89	3.99	3.847	3.825	5.018	3.758
NI	0.087	0.809	0.811	0.817	0.824	0.821	0.527	0.839	0.832	0.840
Cr	18.9	19.89	20.71	21.2	21.19	20.2	19.01	19.86	18.96	19.86
Mo	0.035	0.036	0.036	0.037	0.211	0.212	0.211	0.206	0.210	0.209
Cu	0.044	0.392	0.391	0.395	0.4	0.402	1.023	0.384	3.048	0.333
O					35-37ppm	17-19ppm	33-37ppm	37-38ppm	32-32ppm	26-28ppm
S	34ppm	35ppm	35ppm	37ppm	6ppm	4ppm	10ppm	12ppm	9ppm	10ppm
B										14ppm
P	0.017	0.018	0.017	0.018	0.017	0.017	0.018	0.016	0.019	0.016
Al	-	-	-	-	0.010	0.010	0.007	0.007	0.011	0.007
N	0.132	0.15	0.136	0.17	0.167	0.166	0.155	0.143	0.104	0.136
V	0.091	0.094	0.097	0.103	-	0.072	0.078	0.081	0.088	0.086

[0020] Le tableau 2 suivant présente les caractéristiques des aciers dans le domaine de l'indice IM et du rapport chrome équivalent / nickel équivalent.

	D	C	B	A	A	E	F	C	G	C
					(bas S)			(bas S)		(bas S, B)
IM	144	81	78	35	38	51	68	78	12	85
Creq/Nieq	2,92	2.57	2.74	2.51	2.61	2.50	2.39	2.55	2.41	2.64

[0021] Dans une gamme courte d'élaboration, l'acier est soumis à un forgeage depuis la température de 1200°C puis à une transformation à chaud depuis 1240°C pour obtenir par exemple, une bande laminée à chaud de 2,2 mm d'épaisseur. La bande est traitée à 1050°C puis trempée à l'eau.

[0022] Dans une gamme dite longue, à la suite de la gamme courte, la bande laminée à chaud peut ensuite être laminée à froid et à nouveau traitée à 1040°C pendant une minute puis trempée à l'eau.

[0023] Tous les aciers présentés sont composés de ferrite et d'austénite à l'exception de l'acier D qui contient en outre de la martensite formée lors du refroidissement de l'austénite. La structure des aciers est toujours exempte de carbures et de nitrures. On constate que trois aciers, B et C et F présentent d'une part, un allongement à la rupture supérieur ou égal à 40% lorsqu'ils sont élaborés avec la gamme longue, et d'autre part, des limites élastiques supérieures à 450 MPa ainsi que des charges à la rupture supérieures à 700 MPa. En outre, l'acier C présente à la fois une limite élastique élevée et un allongement particulièrement élevé.

[0024] En utilisant un indice de stabilité de l'austénite tel que :

[0025] on constate, comme présenté sur la figure unique, que l'allongement à la rupture de ces aciers austénoferritiques passe par un maximum lorsque l'indice IM défini ci-dessus lié à la composition de l'acier selon l'invention est compris entre 40 et 115 , ce qui définit un acier selon l'invention comportant un allongement de plus de 35%.

[0026] Les caractéristiques de la tôle obtenue selon l'invention sont regroupées sur le tableau 3 qui présente les taux en austénite pour quatre aciers dans les différentes phases de transformation, brut de laminage à chaud, élaboré en gamme courte et en gamme longue.

Tableau 3 :

Teneurs en austénite en %
Acier	D	C	B	A
Brut laminage à chaud	37	42	33	35
Gamme courte	41	49	39	40
Gamme longue	42	52	41	43

[0027] Ces teneurs en austénite sont incluses dans des intervalles de 30% à 70% recherchées dans les aciers austénoferritiques. Les aciers présentés comportent respectivement un rapport Creq/ Nieq comme préconisé selon l'invention.

[0028] Le tableau 4 suivant présente les caractéristiques mécaniques pour des aciers B et C selon l'invention, soumis aux deux gammes de préparation, pour des aciers E et F selon l'invention, soumis à la gamme longue de préparation, caractéristiques comparées à celles des aciers A et D hors invention.

Tableau 4 :

Caractéristiques mécaniques
Acier	limite élastique Rp0.2% (Mpa)	limite à la rupture Rm (Mpa)	allongement. A%	IM	Martensite après traction %
D				144
Gamme courte	406	804	32	-	-
Gamme longue	433	855	24	-	31
C				81
Gamme courte	476	757	46	-	-
Gamme longue	501	817	43	-	27
B				78
Gamme courte	450	668	34	-	-
Gamme longue	471	714	40	-	5
E				51
Gamme courte	-	-	-	-	-
Gamme longue	484	737	36	-	-
F				68
Gamme courte	-	-	-	-	-
Gamme longue	492	819	44	-	-
A				35
Gamme courte	496	718	36	-	-
Gamme longue	520	773	33	-	0

[0029] On constate que les aciers B, C et F, dont l'indice IM est respectivement de 78, 81 et 68, c'est à dire compris entre 40 et 115, présentent un allongement particulièrement élevé par rapport aux aciers A et D, hors invention.

[0030] Le tableau 5 suivant présente le taux de formation de martensite d'écrouissage sous l'effet de la traction sur des aciers soumis à hypertrempe à 1040°C.

ACIER	A	B	C	D
% austénite	43	41	52	42
Allongement réparti	25	33	37	22
% austénite après traction	43	36	25	9
Apparition de martensite (%)	0	5	27	31
Fraction de l'austénite transformée en martensite lors de la traction.	0	0,12	0,52	0,74

[0031] Pour les aciers B et C respectivement, 12% et 52% de l'austénite initiale sont transformés en martensite lors de la traction, ce qui leur confère une bonne ductilité; au contraire, l'acier A ne présente pas de transformation de l'austénite en martensite pendant la traction et l'acier D présente un taux de transformation d'austénite, trop élevé de 74%, ce qui lui confère une ductilité insuffisante.

[0032] Les tableaux 6 et 7 présentent des caractéristiques de traction à chaud de différents aciers.

[0033] Les propriétés mécaniques ont été évaluées sur un acier corroyé recuit. Le corroyage est effectué par forgeage à partir de 1200°C. L'acier subit ensuite un recuit à une température de 1100°C pendant 30 mn. Les éprouvettes de traction utilisées sont des éprouvettes ayant un fût de section circulaire d'un diamètre de 8 mm et une longueur de 5 mm. Elles sont soumise à un préchauffage de 5 mn à 1200°C ou 1280°C, puis à un refroidissement de 2°C/s jusqu'à la température de test à laquelle la traction est effectuée, traction effectuée à la vitesse de 73 mm/s.

Tableau 6 :

Réduction de diamètre en % dans tests de traction à chaud avec maintien initial à 1200°C
ACIER	C	E	F	C bas S	G	C (bas S; B)
TEMPERATURE DE TEST.
900°C	34	42	50	46	22	49
950°C	33	43	45	46	13	47
1000°C	36	44	42	49	24	53
1050°C	48	-	40	49	24	53
1100°C	52	-	43	54	35	59
1150°C	65	-	51	58	42	62
1200°C	69	-	61	68	42	65

Tableau 7 :

Réduction de diamètre en % dans tests de traction à chaud avec maintien initial à 1280°C.
ACIER	A	E	F	C (bas S)	C(bas S; B)
TEMPERATURE DE TEST.
900°C	33	33		37	39
950°C	34	31		37	38
1000°C	35	35		38	38
1050°C	42	38		43	44
1100°C	47	43		50	54
1150°C	50	48		55	53
1200°C	62	54		63	64
1250°C	67	67		77	70
1280°C	81	77		85	76

La ductilité à chaud est généralement faible, mais on constate une amélioration pour les aciers contenant dans leur composition moins de 15.10^-4 % de soufre. Une striction diamétrale supérieure à 45% à 1000°C est considérée comme nécessaire pour laminer à chaud les aciers. L'acier C (bas S ) et l'acier C (bas S; B ) contenant dans sa composition du bore, atteignent cette caractéristique si le réchauffage est effectué à 1200°C.

[0034] Les caractéristiques de ductilité à chaud élevées sont obtenues selon l'invention en présence d'une très basse teneur en soufre. L'acier C comportant 35.10-4% de soufre ne présente pas une ductilité à chaud suffisante.

[0035] La teneur en carbone ne saurait dépasser 0,04% faute de quoi des carbures de chrome précipitent au refroidissement après traitement thermique aux interfaces ferrite - austénite et dégradent la tenue à la corrosion. Une teneur en carbone inférieure à 0,03% permet d'éviter cette précipitation aux vitesses de refroidissement les plus faibles.

[0036] La teneur en silicium doit nécessairement être supérieure à 0,4% pour éviter une oxydation exagérée lors du réchauffage de brames ou blooms. Elle est limitée à 1,2% pour éviter de favoriser les précipitations fragilisantes d'intermétalliques ou de phase sigma lors de la transformation à chaud. De préférence, la teneur en silicium est comprise entre 0,5% et 1%.

[0037] La teneur en manganèse ne peut excéder 4% pour éviter les difficultés d'élaboration. Une teneur minimale de 2% est cependant nécessaire pour rendre l'acier austénitique, en permettant l'introduction de plus de 0,1% d'azote, sans dépasser la limite de solubilité de l'azote à la solidification.

[0038] La teneur en nickel est volontairement limitée à 1% pour des raisons économiques et également pour limiter la corrosion sous tension en milieux chlorurés.

[0039] De plus, les directives internationales orientent vers une baisse du relargage en nickel des matériaux, notamment dans le domaine de l'eau et du contact cutané.

[0040] Une addition de molybdène peut éventuellement être effectuée pour améliorer la tenue à la corrosion; son efficacité n'augmente guère au delà de 3 %, de plus, le molybdène tend à augmenter la fragilisation par formation de phase sigma et son addition doit être limitée.

[0041] Une addition de cuivre est particulièrement efficace pour augmenter la teneur en austénite. Au delà de 4%, il apparaît des défauts au laminage à chaud en relation avec des ségrégations de solidification riches en cuivre. Elle permet en outre de durcir la phase ferrite par traitement thermique entre 400°C et 600°C, et peut avoir, lors de l'utilisation, un effet bactéricide et fongicide.

[0042] La teneur en soufre doit être limitée à 0,030% pour que l'acier soit soudable sans générer de fissuration à chaud. Une teneur en soufre inférieure à 0.0015% améliore notablement la ductilité à chaud et la qualité du laminage à chaud. Cette basse teneur en soufre peut être obtenue par l'utilisation contrôlée de calcium et d'aluminium pour obtenir les intervalles de teneurs recherchées en Ca, Al et S.

[0043] Une teneur en bore de 5 à 30.10^-4% améliore également la ductilité à chaud.

[0044] La teneur en phosphore est inférieure à 0,1% et de préférence à 0,04% pour éviter la fissuration à chaud lors du soudage.

[0045] La teneur en azote est limitée naturellement à 0,3% par sa solubilité dans l'acier au cours de son élaboration.

[0046] Pour des teneurs en manganèse inférieures à 3% la teneur en azote devra être de préférence inférieure à 0,2%. Un minimum de 0,1% d'azote est nécessaire pour obtenir une quantité d'austénite supérieure à 30%.

[0047] La teneur en chrome est suffisamment basse pour éviter les fragilisations dues à la phase sigma et à la démixtion ferrite-ferrite, lors de la transformation à chaud. Les teneurs en chrome selon l'invention permettent aussi le formage superplastique à températures modérées entre 700°C et 1000°C sans formation de phase sigma fragilisante, contrairement aux nuances austénoferritiques habituelles utilisées pour formage superplastique.

[0048] Une teneur en austénite de 30 à 70% est nécessaire pour obtenir les caractéristiques mécaniques élevées, c'est à dire une limite élastique supérieure à 400 MPa sur acier élaboré et sur soudure, la soudure devant être dure et résiliente, avec un taux d'austénite supérieur à 20%. Pour cela, on respectera le rapport Creq / Nieq de façon qu'il soit compris entre 2,30 et 2,75 et de préférence compris entre 2,4 et 2,65. L'allongement en traction supérieur à 35% est obtenu si l'indice IM est compris entre 40 et 115, et l'acier selon l'invention présente dans ces conditions de bonnes caractéristiques d'emboutissage.

[0049] L'acier selon l'invention est particulièrement destiné à l'utilisation de pièce embouties puis assemblées par soudage tels que des réservoirs de propergols ou contenant d'autres réactifs pyrotechniques utilisables notamment pour des dispositifs de coussins gonflables de sécurité automobile, applications demandant un acier possédant une ductilité élevée pour la mise en forme ainsi qu'une limite élastique également élevée du métal de base et de la soudure nécessaire dans l'utilisation considérée.

[0050] Il est aussi destiné notamment à la fabrication de tubes à partir de feuillards roulés puis soudés, utilisable notamment dans la construction de structures mécaniques fixes ou incorporées dans des véhicules mobiles. Ces tubes peuvent être conformés à l'aide de procédés de formage sous haute pression, dits hydroformage.

Revendications

1. Acier inoxydable austénoferritique à très bas nickel et présentant un fort allongement en traction caractérisé en la composition pondérale suivante :

  carbone < 0,04%

0,4% < silicium < 1,2%

2 % < manganèse < 4%

0,1% < nickel < 1%

18% < chrome < 22%

0,05% < cuivre < 4%

  soufre < 0,03%

  phosphore < 0,1%

0,1% < azote < 0,3%

  molybdène < 3%

   l'acier présentant un biphasage compris entre 30% et 70% d'austénite, tel que



   avec Creq/Nieq compris entre 2,3 et 2,75,
la stabilité de l'austénite dudit acier étant réglée par l'indice IM défini à partir de la composition pondérale de l'acier par

   IM devant être compris entre 40 et 115.

2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition satisfait la relation : Creq/Nieq compris entre 2,4 et 2,65.

3. Acier selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la teneur en soufre est inférieure ou égale à 0,0015%.

4. Acier selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'acier comprend en outre dans sa composition pondérale de 0,010% à 0,030% d'aluminium.

5. Acier selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'acier comprend en outre dans sa composition pondérale de 0,0005% à 0,0020% de calcium.

6. Acier selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'acier comprend en outre dans sa composition pondérale de 0,0005% à 0,0030% de bore.

7. Acier selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,03%.

8. Acier selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en azote est comprise entre 0,12% et 0,2%.

9. Acier selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la teneur en chrome est comprise entre 19% et 21%.

10. Acier selon les revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la teneur en silicium est comprise entre 0,5% et 1%.

11. Acier selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la teneur en cuivre est inférieure à 3%.

12. Acier selon les revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la teneur en phosphore est inférieure ou égale à 0,04%.

Dessins