[0001] La présente invention a pour objet un acier inoxydable austénitique au cobalt ultra
résistant à la cavitation érosive.
[0002] La demande de brevet EP-A-85 420 115.9 déposée le 24 juin 1985 par la Demanderesse
décrit et revendique un acier inoxydable austénitique au cobalt possèdant une très
forte résistance à la cavitation érosive de forte intensité, lequel acier est, de
par sa résistance, tout particulièrement utile pour la fabrication ou la réparation
de pièces de machines hydrauliques.
[0003] L'acier inoxydable austénitique décrit et revendiqué dans ce EP-A-85 420115.9 est
caractérisé en ce que, d'une part, il comporte :
de 8 à 30 % en poids de Co,
de 13 à 30 % en poids de Cr,
de 0,03 à 0,3 % en poids de C,
jusqu'à 0,3 % en poids de N,
jusqu'à 3,0 % en poids de Si,
jusqu'à 1,0 % en poids de Ni,
jusqu'à 2 % en poids de Mo, et
jusqu'à 9 % en poids de Mn,
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe,
et en ce que, d'autre part et surtout, sa teneur en éléments connus comme ferritisants
(Cr, Mo, Si), en éléments connus comme austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) et, parmi
ces éléments ferritisants et austénitisants, en éléments connus pour augmenter ou
abaisser l'énergie de faute d'empilement, est adéquatement choisie et ajustée de façon
à ce qu'au moins 60 % et de préférence au moins 85 % en poids de l'acier soit, à la
température ambiante, dans une phase cubique à face centrée métastable γ ayant une
énergie de faute d'empilement suffisamment faible pour qu'elle puisse se transformer
sous l'effet de la cavitation en une phase hexagonale compacte ou en de la martensite
montrant un mâclage fin de déformation.
[0004] Tel qu'indiqué dans le préambule du EP-A-85 420 115.9, la composition ainsi que la
structure très particulière de cet acier inoxydable ont été "sélectionnées" par l'Inventeur
après de nombreuses recherches effectuées suite à la découverte du fait que les aciers
inoxydables au cobalt à faible dureté contenant aussi peu que 8 % en poids de cobalt
possèdent une résistance à la cavitation érosive aussi bonne que celle, excellente,
que possèdent les alliages contenant jusqu'à 65 % de cobalt, à condition qu'au moins
60 % en poids desdits aciers inoxydables à faible teneur en cobalt soit, à température
ambiante, dans une phase cubique à face centrée métastable γ ayant une énergie de
faute d'empilement suffisamment faible pour qu'elle puisse se transformer sous l'effet
de la cavitation en une phase hexagonale compacte ε et/ou en de la martensite α montrant
un mâclage fin de déformation.
[0005] En fait, il avait alors été découvert que,de façon fort surprenante, les alliages
"mous" Fe-Cr-Co-C qui possèdent un mâclage fin induit par la cavitation, lequel mâclage
est spécifique aux cristaux à faible énergie de faute d'empilement (E.F.E.), possèdent
également une résistance efficace à la cavitation au moyen des divers mécanismes suivants
:
- écrouissage et accomodation de contraintes élevées, retardant l'initiation de fissures
de fatigue ;
- extension du mâclage plan à toute la surface de l'alliage conservant ce dernier
lisse durant toute une période d'incubation, et
- absorption continue de l'énergie de cavitation incidente par la production d'une
grande densité de dislocation et de particules érodées fines conduisant ainsi à de
faibles taux d'érosion.
[0006] La présente invention,telle que ci-après décrite et revendiquée, est basée sur la
découverte du fait que des résultats et avantages similaires à ceux précédemment men
tionnés, à savoir une très forte résistance à la cavitation érosive, un relativement
bas prix de revient et une multitude d'utilisations possibles notamment pour la fabrication
de pièces de machines hydrauliques, peuvent être obtenus avec des aciers inoxydables
au cobalt plus "durs", pouvant contenir jusqu'à 2 % en poids de carbone, jusqu'à 5
% en poids de silicium et jusqu'à 16 % en poids de manganèse.
[0007] Sur la base de cette nouvelle découverte, la présente invention a pour objet un nouvel
acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, caractérisé
en ce que :
(a) il comprend :
de 8 à 30 % en poids de Co,
de 13 à 30 % en poids de Cr,
de 0,03 à 2,0 % en poids de C,
jusqu'à 0,3 % en poids de N,
jusqu'à 5,0 % en poids de Si,
jusqu'à 1,0 % en poids de Ni,
jusqu'à 2 % en poids de Mo, et
jusqu'à 16 % en poids de Mn,
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, et en ce que :
(b) il remplit au moins une des trois conditions suivantes :
- sa teneur en C est supérieure à 0,3 %, et/ou
- sa teneur en Si est supérieure à 3,0 %, et/ou
- sa teneur en Mn est supérieure à 9,0 %, et
(c) sa teneur en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus
comme austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) et, parmi ces éléments ferritisants et austénitisants,
en éléments connus pour augmenter ou abaisser l'énergie de faute d'empilement, est
adéquatement choisie et ajustée de façon à ce qu'au moins 60 % en poids de l'acier
soit, à température ambiante, dans une phase cubique à face centrée ayant une énergie
de faute d'empilement suffisamment faible pour présenter sous l'effet de la cavitation,
un mâclage fin de déformation ou pour, alternativement, pouvoir se transformer sous
l'effet cavitation, en une phase hexagonale compacte ε et/ou en de la martensite montrant
un mâclage fin de déformation.
[0008] Comme dans le cas de l'acier décrit et revendiqué dans le EP-A-85 420 115.9, au moins
60 % en poids de l'acier inoxydable au cobalt selon l'invention doit être, à température
ambiante, dans une phase cubique à face centrée ayant la plus faible énergie de faute
d'empilement possible. Cette dernière condition, à savoir une très faible énergie
de faute d'empilement de la phase austénitique cubique à face centrée γ , est un élément
essentiel de l'invention, puisqu'il est absolument nécessaire que l'acier soit capable,
sous l'effet de la cavitation, de se déformer pour montrer un mâclage fin de déformation
le rendant ultra résistant. Cette déformation peut s'effectuer dans certains cas sans
changement de phase. Cette déformation peut également être obtenue par transformation
de la phase cubique à face centrée γ , en phase hexagonale compacte ε et/ou en martensite
α .
[0009] Cette possibilité d'une déformation ou d'une transformation de phase sous l'effet
de la cavitation, de façon à montrer un mâclage fin, est spécifique aux cristaux à
faible énergie de faute d'empilement. Pour obtenir cette faible énergie de faute d'empilement,
il est nécessaire de tenir compte de la capacité de chaque élément à abaisser ou augmenter
l'énergie de faute d'empilement, et d'ajuster la teneur respective des divers éléments
choisis pour constituer l'acier, de façon à ce que l'énergie de faute d'empilement
de l'ensemble des éléments combinés soit suffisamment faible pour qu'on obtienne
un mâclage fin de déformation, lorsque l'acier est sujet à la cavitation. Parmi les
éléments connus pour augmenter l'énergie de faute d'empilement (E.F.E.), on peut citer
Ni et C. Parmi ceux connus pour abaisser l'E.F.E., on peut citer Co, Si, Mn et N.
Bien sûr, ces derniers éléments devront être choisis en priorité pour obtenir le résultat
voulu, à savoir une faible E.F.E. Parmi des éléments connus pour abaisser l'E.F.E.,
le cobalt est sans doute un des plus intéressants dans la mesure où il a l'avantage,
en plus d'abaisser l'E.F.E., de conserver la stabilité de la phase austénitique de
l'acier sur une grande gamme de concentration.
[0010] Il est également nécessaire de tenir compte de la nature même de ces éléments pour
que 60 % au moins de l'acier soit effectivement en phase γ . Pour ce faire, il est
nécessaire de choisir et adéquatement ajuster la teneur de l'acier en éléments respectivement
connus ferritisants (Cr, Mo, Si) et austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn).
[0011] L'exigence pour l'acier selon l'invention de montrer un mâclage fin induit par la
cavitation est compatible avec le résultat des observations faites dans la littérature,
notamment par S. Vaidya et Al. ("The role of Twinning in the Cavitation Erosion of
Cobalt Single Crystals", Met. Trans. A., Vol.11A, page 1139, juillet 1980) qui ont
attribué la forte résistance de la cavitation des alliages à forte teneur en cobalt
à la faible énergie de faute d'empilement de ces alliages et à leur mâclage plan
de déformation. Il est à noter cependant qu'il est tout à fait surprenant au vu de
l'état de la technique, que l'acier inoxydable selon l'invention qui contient moins
de 30 % en poids de cobalt et jusqu'à 70 % en poids de fer, puisse ainsi possèder
une énergie de faute d'empilement aussi faible que celle des alliages à forte teneur
en cobalt, et un mâclage fin de déformation sensiblement identique (voir également
l'article de D.A. Woodford et Al, "A Deformation Induced Phase Transformation Involving
a Four-Layer Stacking Sequence in Co-Fe Alloy", Met. Trans., vol.2, page 3223, 1971)
où il est indiqué que dans les alliages Fe-Co, seulement 15 % en poids de fer est
suffisant pour faire complètement disparaître la transformation induite par cavitation
de la phase γ en phase ε ). Une explication possible à ce phénomène particulier est
que, dans l'acier inoxydable selon l'invention, le chrome a une très forte interaction
avec le cobalt et le fer pour promouvoir la formation de cristaux à faible énergie
de faute d'empilement.
[0012] La couche de surface des alliages Fe-Cr-Co-C selon l'invention montre, après exposition
à la cavitation, un réseau très fin de mâclage dans une phase cubique à face centrée
(phase γ ), dans une phase hexagonale compacte (phase ε ) ou encore dans une phase
martensitique α . La présence de ce mâclage fin et continu obtenu sous exposition
à la cavitation explique la forte résistance à la cavitation de l'alliage, qui, de
par son mâclage, possède un moyen efficace d'absorber l'énergie des chocs de cavitation
par déformation de sa structure cristalline. Ce mâclage fin est également un excellent
moyen d'accomoder les contraintes élevées et ainsi retarder la création et la propagation
de fissures de fatigue. L'écrouissage localisé associé à ce mâclage fin assure une
extension du mâclage à toute la surface exposée au début de l'exposition à la cavitation
(période d'incubation). Ceci explique pourquoi la surface exposée demeure aussi plate
et lisse durant la période d'incubation, si on la compare à la surface de fort relief
que l'on obtient avec des matériaux plus déformables. Des surfaces plus lisses sont,
en effet, moins sujettes à attaque par les microjets tangentiels localisés que se
produisent lors de chaque implosion dûe à la cavitation. Ainsi, pendant la période
d'incubation, le seul relief de surface que subissent les aciers inoxydables au cobalt
selon l'invention est le mâclage fin de déformation ci-dessus mentionné. Ce mâclage
fin conduit à de très faibles taux d'érosion compte tenu du fait que les particules
érodées à la jonction des mailles sont très fines. La quantité importante de surfaces
nouvellement créées pour une quantité donnée de métal perdu par érosion est un autre
moyen efficace d'absorber l'énrgie de cavitation incidente.
[0013] Selon un mode tout particulièrement préféré de réalisation, l'acier inoxydable austénitique
au cobalt selon l'invention, comprend avantageusement :
de 10 à 12 % en poids de Co,
de 16 à 18 % en poids de Cr,
de 0,4 à 0,5 % en poids de C,
de 2,5 à 3,5 % en poids de Si, et
de 4,5 à 5,5 % en poids de Mn,
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe et d'impuretés résiduelles.
[0014] Bien entendu, la teneur en chacun des éléments ci-dessus mentionnés est adéquatement
choisie et ajustée tel qu'expliqué ci-dessus.
[0015] Des aciers inoxydables tout particulièrement intéressants sont identifiés par les
numéros S17-3 ; 23 et 59 dans le tableau donné ci-après. Il s'avère, en effet, que
ces aciers particuliers sont non seulement très efficaces (ils ont une résistance
à la cavitation sensiblement identique et même, dans le cas de l'acier S17-3, supérieure
au STELLITE™ 6), mais également bon marché (à comparer au STELLITE™ qui contient 60
% de Co). On peut, en effet, noter que la composition de ces aciers est très proche
de la composition des aciers inoxydables de la série standard 300, la seule différence
résidant dans l'absence de nickel (connu pour augmenter l'énergie de faute d'empilement
(E.F.E.)), remplacé par une quantité accrue de Co (connu pour abaisser l'E.F.E.).
[0016] Tel que précédemment indiqué, les aciers inoxydables au Co selon l'invention sont
mous. Ces aciers sont moins chers que les alliages conventionnels à forte teneur en
Co tels que le STELLITE 6™ou le STELLITE 21™, tout en ayant sensiblement la même résistance
à la cavitation. Il en résulte que l'acier inoxydable selon l'invention offre une
alternative économique aux alliages de type STELLITE 21™ utilisés actuellement pour
protéger les machines hydrauliques contre les effets de cavitation érosive. Des fils
ou électrodes de soudure faits à partir de l'acier selon l'invention peuvent être
utilisés pour réparer des dommages dus à la cavitation. Des pièces de machines hydrauliques
ou des groupes entiers peuvent également être coulés ou complètement recouverts de
cet acier qui est moins cher que le STELLITE et est capable d'être laminé à chaud
et à froid pour le développement et la fabrication d'éléments de machines hydrauliques
à forte résistance à la cavitation.
[0017] A la lumière de ce qui précède, l'invention a pour autre objet toute pièce en acier
inoxydable pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, lorsque
ladite pièce est faite ou recouverte d'un acier inoxydable au Co à forte résistance
à la cavitation selon l'invention.
[0018] Les pièces en acier inoxydable selon l'invention ont une résistance à la cavitation
au moins égale aux pièces faites d'alliages plus durs du type STELLITE-1 ou -6. Les
aciers inoxydables selon l'invention étant mous, ils sont beaucoup plus faciles à
meuler. En fait, les pièces selon l'invention ont tous les avantages des pièces faites
à partir d'alliages mous à forte teneur en Co, du type STELLITE-21, mais à moindre
coût.
[0019] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront mieux
à la lecture de la description non restrictive qui va suivre d'essais effectués par
l'Inventeur.
PROCEDURE EXPERIMENTALE
[0020] La résistance à la cavitation érosive des aciers et alliages testés a été mesurée
par essai de cavitation ultrasonique selon la norme ASTM-G32. Les pertes en poids
d'échantillons cylindriques de 16 mm vibrant à 20 kHz sous une double amplitude de
50 µm dans de l'eau distillée à 22°C furent mesurées toutes les cinq heures pendant
vingt cinq heures au moyen d'une balance électrique précise au dixième de milligramme.
Les matériaux testés sont listés dans le TABLEAU I suivant, où l'on trouve également
leur composition nominale, leur dureté ainsi que leur taux d'érosion à la cavitation.

[0021] Les aciers au Co selon l'invention énumérés dans le TABLEAU I furent préparés en
faisant fondre sur une plaque de cuivre refroidie à l'eau dans un petit four à arc
de laboratoire ou dans un four à induction, un mélange approprié de plusieurs des
constituants suivants : acier au carbone, acier inoxydable 304, STELLITE 21, ferrochrome,
cobalt électrolytique, ferromanganèse et ferrosilicium. Il est à noter que les compositions
de tous ces aciers expérimentaux à l'exception des deux STELLITES qui furent testés
à titre de référence, tombent tous dans la fourchette de composition de l'acier inoxydable
au cobalt selon l'invention.
INTERPRETATION DES RESULTATS
[0022] Les résultats des essais de cavitation érosive reportés sur le TABLEAU I démontrent
clairement que tous les aciers expérimentaux testés ont une résistance à la cavitation
supérieure ou égale à celle du STELLITE 21, tout en ayant une dureté sensiblement
comparable. Un des aciers expérimentaux selon l'invention, le S17-3 a même montré
une résistance à la cavitation supérieure à celle du STELLITE 6, tout en ayant une
dureté inférieure.
[0023] Des essais de diffraction aux rayons X et des observations micrographiques effectués
concuremment sur certains des aciers testés ont montré également que l'excellente
résistance à la cavitation des aciers au cobalt selon l'invention peut être attribuée
au réseau fin de mâclage accompagnant la déformation de la phase austénitique γ ou
sa transformation en phase hexagonale compacte ε ou en martensite α , ce mâclage induit
par cavitation étant spécifique aux cristaux à faible énergie de faute d'empilement.
[0024] Le fait qu'aucun mâclage fin et qu'une faible résistance à la cavitation aient pu
être observés sur les aciers testés dans le EP-A-85 420 115.9 et qui étaient principalement
soit ferritiques, soit martensitiques avant d'être sujets à l'exposition à la cavitation,
semble indiquer que la déformation ou transformation induite par cavitation en la
phase C.F.C γ , en une phase H.C. ε et/ou en de la martensite α . montrant un mâclage
fin de déformation, est essentiel pour obtenir une forte résistance à la cavitation.
Cette exigence à son tour implique que l'acier inoxydable selon l'invention soit principalement
dans une phase austénitique γ à température ambiante.
[0025] Il est donc clair que, tout comme dans le cas de l'acier inoxydable 301, la teneur
de l'acier inoxydable au cobalt selon l'invention en éléments connus comme ferritisants
(Cr, Mo, Si) et austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) doit être adéquatement choisie et
ajustée de façon à stabiliser l'austénite particulièrement dans le cas d'un refroidissement
rapide, pour ainsi promouvoir une déformation de la phase γ ou une transformation
induite de cette phase γ en phase ε ou en martensite, la forte résistance à la cavitation
des aciers selon l'invention résultant principalement de leur composition où les éléments
connus pour augmenter l'énergie de faute d'empilement, à savoir, par exemple, le nickel,
sont remplacés autant que possible par des éléments connus pour abaisser cette énergie
de faute d'empilement tels que Co, Si, Mn et N et ainsi conduire à un mâclage de
déformation plus fin.
[0026] Les aciers inoxydables au cobalt selon l'invention peuvent avantageusement être utilisés
pour la fabrication et la réparation de pièces ou de groupes de machines hydrauliques,
tels que des turbines, des pompes, des robinets, etc... Ils peuvent être utilisés
soit comme recouvrements soudés sur de l'acier au carbone, soit comme matériaux de
base, coulés ou sous forme de tôle, pour la fabrication de machines toutes faites
en acier inoxydable. Ces aciers peuvent, en outre, être laminés à chaud ou à froid
et être développés en fils ou électrodes de soudage pour remplacer le STELLITE-21
beaucoup plus cher utilisé pour réparer les dommages de cavitation des turbines hydrauliques.
[0027] On doit noter qu'aucun traitement thermique ou mécanique spécial n'est requis, dans
l'état tel que coulé ou soudé, pour obtenir la meilleure résistance à la cavitation
de ces aciers inoxydables austénitiques au cobalt. S'ils doivent être déformés à froid
pour des besoins de mise en forme de fil ou de tôle par exemple, on doit alors leur
faire subir un traitement thermique de recuit à haute température, comme pour les
aciers inoxydables austénitiques standards. Leur meilleure formabilité que les alliages
à base de cobalt est un autre avantage économique surtout pour la fabrication en fil
de soudage.
1- Acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive,
caractérisé en ce que :
(a) il comprend :
de 8 à 30 % en poids de Co,
de 13 à 30 % en poids de Cr,
de 0,03 % à 2,0 % en poids de C,
jusqu'à 0,3 % en poids de N,
jusqu'à 5,0 % en poids de Si,
jusqu'à 1,0 % en poids de Ni,
jusqu'à 2 % en poids de Mo, et
jusqu'à 16,0 % en poids de Mn,
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe,
(b) il remplit au moins une des trois conditions suivantes :
- sa teneur en C est supérieure à 0,3 %,
- sa teneur en Si est supérieure à 3,0 %,
- sa teneur en Mn est supérieure à 9,0 %, et
(c) sa teneur en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus
comme austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) et, parmi ces éléments ferritisants et austénitisants,
en éléments connus pour augmenter ou abaisser l'énergie de faute d'empilement, est
adéquatement choisie et ajustée de façon à ce qu'au moins 60 % en poids de l'acier
soit, à température ambiante, dans une phase cubique à face centrée ayant une énergie
de faute d'empilement suffisamment faible pour présenter, sous l'effet de la cavitation,
un mâclage fin de déformation ou pour, alternativement, pouvoir se transformer, sous
l'effet de la cavitation, en une phase hexagonale compacte ε et/ou en de la martensite
α montrant un mâclage fin de déformation.
2- Acier inoxydable au cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend
:
de 10 à 12 % en poids de Co,
de 16 à 18 % en poids de Cr,
de 0,4 à 0,5 % en poids de C,
de 2,5 à 3,5 % en poids de Si, et
de 4,5 % à 5,5 % en poids de Mn,
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe avec, le cas échéant,
des traces de Mo et N.
3- Acier inoxydable au cobalt selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend
:
environ 11,6 % en poids de Co,
environ 16,6 % en poids de Cr,
environ 0,46 % en poids de C,
environ 3,3 % en poids de Si, et
environ 5,3 % en poids de Mn,
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe avec, le cas échéant,
des traces de Mo et N.
4- Acier inoxydable au cobalt selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend
:
environ 8 % en poids de Co,
environ 16,4 % en poids de Cr,
environ 0,41 % en poids de C,
environ 3,5 % en poids de Si, et
environ 5 % en poids de Mn,
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, avec, le cas échéant,
des traces de Mo et N.
5- Acier inoxydable au cobalt selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend
:
environ 8 % en poids de Co,
environ 16 % en poids de Cr,
environ 0,4 % en poids de C,
environ 3 % en poids de Si, et
environ 5 % en poids de Mn,
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe avec, le cas échéant,
des traces de Mo et N.
6- Application des aciers inoxydables austénitiques au cobalt ultra résistant à la
cavitation érosive, tels que définis dans la revendication 1 à la réalisation ou au
revêtement de pièces d'acier inoxydable au cobalt pour la fabrication ou la réparation
de machines hydrauliques.
7- Application des aciers inoxydables austénitiques au cobalt ultra résistant à la
cavitation érosive, tels que définis dans la revendication 2 à la réalisation ou au
revêtement de pièces d'acier inoxydable au cobalt pour la fabrication ou la réparation
de machines hydrauliques.
8- Application des aciers inoxydables austénitiques au cobalt ultra résistant à la
cavitation érosive, tels que définis dans la revendication 4 ou la revendication 5
à la réalisation ou au revêtement de pièces d'acier inoxydable au cobalt pour la fabrication
ou la réparation de machines hydrauliques.
9- Application des aciers inoxydables austénitiques au cobalt ultra résistant à la
cavitation érosive, tels que définis dans la revendication 1, à la réalisation d'électrodes
ou fils de soudage pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques.
10- Application des aciers inoxydables austénitiques au cobalt ultra résistant à la
cavitation érosive, tels que définis dans la revendication 2, à la réalisation d'électrodes
ou fils de soudage pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques.
11- Application des aciers inoxydables austénitiques au cobalt ultra résistant à la
cavitation érosive, tels que définis dans la revendication 3, à la réalisation d'électrodes
ou fils de soudage pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques.