Procédé de laminage d'un acier inoxydable austénitique
Lorsqu'on a besoin d'un métal ayant une bonne résistance au fluage jusque vers 650 C, on s'adresse souvent aux aciers Cr - Ni améliorés par l'addition de divers éléments.
Certaines de ces additions, telles que Ti, Al, provoquent un dureissement structural par traitement thermique préalable à la mise en service de la pièce. Les aciers ainsi obtenus ont, cependant, I'inconvénient d'être chers et difficilement soudables.
D'autres, telles que N2, V, provoquent une précipitation durcissante au cours du fluage. D'autres enfin, telles que B, Mo, W, Cu, Mn, Nb, rendent la matrice austénitique plus rigide à haute température.
Tous ces aciers ont des caractéristiques de fluage améliorées par rapport aux aciers inoxydables austénitiques ordinaires, mais malgré tout ils ne présentent pas une résistance suffisante au fluage lorsqu'on veut les utiliser pour des éléments devant travailler à des températures dépassant 6500 C.
Comme certaines industries, telles que la production d'énergie thermique (tubes de surchauffeurs), la fabrication de réacteurs aéronautiques, la fabrication de moteurs à explosion (soupapes d'échappement), recherchent des températures de fonctionnement de plus en plus élevées, on est souvent amené à utiliser des alliages très spéciaux et très chers contenant jusqu'à 20 % de Cr, Ni et Co (superalliages) ou même 20 % Cr, 55 % Ni, 9 % Mo, 1 % Co (hastelloy X), ou à revêtir certaines zones des pièces par des alliages tels que ceux appelés stellites.
La présente invention concerne un procédé de laminage d'aciers inoxydables austénitiques, présentant des caractéristiques de résistance au fluage au-dessus de 650 C nettement améliorées par rapport aux aciers connus et comparables à celles des alliages spéciaux précédemment cités.
L'invention concerne aussi l'utilisation de ces aciers laminés, en particulier leur emploi à la fabrication de tôles d'acier.
Les aciers mis en jeu dans le procédé selon l'invention sont des aciers inoxydables austénitiques ayant la composition générale suivante:
C < 0,175 /o en poids
Si < 1 0/o en poids
Cr 15 à 20 /o en poids
Ni 4 à 16 /o en poids
Mn 1 à 12 % en poids
Mo 0 à 4 0/o en poids
W là 60/oenpoids
Cu Oà 40/oenpoids
N2 # 0,15 % en poids
V # 1,2 N@ % en poids
Nb 0 à 2 /oenpoids
B 0,001 à 0,005 % en poids
Fe et impuretés reste, avec la condition que V+N2 < 0,65 l'alliage contenant, en plus du tungstène,
au moins l'un ou l'autre des éléments Mo et/ou Cu dans les limites indiquées.
De préférence, ces aciers ont une teneur en azote au moins égale à 0,20 %.
Plus particulièrement, la composition préférée pour ces aciers est la suivante:
C # 0,175 % en poids
Si # 1 % en poids
Cr 15 à20 % en poids
Ni 4 à 16% en poids
Mn 1 à 12 % en poids
Mo 1,5 à 3,5 % en poids
W là 60/oenpoids
Cu
N2 0,20 à 0,300/0 en poids
V 0,30 à 0,40 % en poids
Nb 0 à 1% en poids
B 0,001 à 0,005 % en poids
Fe et impuretés reste, avec la condition que
la teneur V # 1,2 N2 et V + N2 # 0,65.
L'originalité de ces aciers austénitiques réside dans la combinaison des caractéristiques suivantes:
a- addition de Mo et/ou de Cu à côté du W, dans les limites indiquées,
b- addition de Mn dans les limites indiquées,
c- teneurs particulières en azote et vanadium avec les relations indiquées,
d- addition de B dans les limites indiquées.
Il y a lieu de remarquer que les conditions sur les teneurs en N2 et V correspondent à une balance entre ces deux éléments d'addition, telle qu'elle permet la précipitation de nitrures de vanadium NXVy qui contribue au durcissement.
Enfin la teneur en bore est volontairement maintenue assez basse pour éviter les difficultés de fabrication qu'entraînerait une teneur plus élevée, de sorte que ces aciers peuvent être fabriqués sans précautions spéciales.
Tous ces aciers ont une résistance au fluage améliorée. Ainsi les niveaux de contrainte provoquant la rupture au bout de 5000 heures sont les suivants, en fonction de la température:
à 6500 C contrainte 21 21 kg/mm2
à 7( > 0O C contrainte 15 15 kg/mm2
à 7500 C contrainte # 9,5 kg/mm2
L'allongement à la rupture par fluage au bout de 5000 heures est au moins égal à 10 %, la limite élastique E0,2 est au moins égale à 32 kg/mm2.
Selon les utilisations, certaines qualités seront plus utiles que d'autres et l'on choisira chaque fois, pour appliquer le procédé de l'invention, la nuance d'acier ayant les qualités désirées, en plus de la résistance améliorée au fluage: ces qualités seront, par exemplé, la ductilité à chaud, la résistance à la corrosion par les cendres de fuels impurs ou par les sels organiques de plomb, la limite élastique.
On décrit ci-après différents types ou variantés d'acier propres à être soumis au procédé de l'inven- tion.
Variante 1
Elle concerne des aciers présentant des qualités particulières de résistance au fluage, de ductilité à chaud et, éventuellement, de résistance à la corrosion à chaud.
Les compositions de tels aciers sont:
en présence de sans
corrosion à chaud corrosion à chaud
C # 0,060 % # 0,060 %
Si # 1%, de préférence # 1 %
# 0,5 %
Cr 16 à 20% 15 à 19%
Ni 6 à 10% 8 à 16%
Mn 5 à 10% là 3 /o
Mo 0 à 20/o là 30/o
W 2à 40/o 2à 40/o
Cu là 40/o 0 à 30/o
N2 # 0,15 % # 0,15%
avec V+N2 avec V+N2
# 0,65 # 0,65 V # 1,2 N2% # 1,2 N2%
Nb 0 à 10/o 0à 10/o
B 0,001 à 0,001 à
0,005% 0,005%
Fe et impuretés reste
reste
On a tracé, sur la fig. 1, des courbes des contraintes provoquant la rupture par fluage en 10 000 heures, en fonction de la température. Les courbes (1) à (5) en traits pleins correspondent à des alliages connus, la courbe (6) en tirets correspond à un acier destiné à être laminé selon l'invention. Tous ces alliages sont destinés, après laminage, à la fabrication de tubes.
La courbe (1) correspond à un acier de composition 15 Cr, 15 Ni, Mo, W, 2, Nb.
La courbe (2) correspond à un acier de composition 16 Cr, 10 Ni, 6 Mn, Mo, V, Nb.
La courbe (3) correspond à un acier de composition 17 Cr, 14 Ni, Mo, Cu, Nb, Ti.
La courbe (4) correspond à un superalliage de composition 20 Cr, 20 Ni, 20 Co, Mo, W, N2, Nb.
La courbe (5) correspond à un Hastelloy de composition 20 Cr, 55 Ni, 9 Mo, 1 Co.
La courbe (6) correspond a un - acier destiné a être mis en jeu dans le procédé de l'invention.
On voit que, si-les aciers (1) (2) (3) (6) et le superalliage (4) sont équivalents au point de vue de la résistance au fluage à 650 C, le superalliage (4) et l'acier destiné au laminage (6) sont nettement meilleurs dès que la température d'utilisation monte à 700 ou 750 C. Si le superalliage est légèrement meilleur à ces températures, c'est au prix d'un coût bien supérieur.
L'alliage (5), encore meilleur à 7000 C, est dépassé à 7500 C par l'acier (6) qui, en outre, est beaucoup moins cher.
Variante 2
Elle concerne des aciers présentant une limite élastique élevée. La composition est:
C # 0,130%
Si S 1 0/o
Cr 15à200/o
Ni 7 à 16%
Mn là 5 0/o
Mo là 30/o
W 2à 40/o
Cu Oà 30/o
N2 # 0,15% de préférence # 0,20
V # 1,2 N2 /o avec V+N2 < 0,65
Nb
B 0,001 à 0,005 %
Variante 3
Elle concerne des aciers présentant une limite élas- tique élevée et une bonne résistance à la corrosion en présence des produits de combustion des sels organi
ques de plomb.
Leur analyse est:
C 0,100 à 0,1500/o
Si # 0,30 %
Cr 15 à 20%
Ni 4à 80/o
Mn 8àl2 /o
Mo 0 à 12%
W 1 à 3 0/o
Cu Oà 30/o
N2 ;) 0,15 /o de préférence # 0,20
V # 1,2 N2% avec V+N2 # 0,65
Nb Oà 2 /o
B 0,001 à 0,005
Une composition préférée contient à la fois W et
Cu, et, éventuellement Mo.
Pour augmenter encore la résistance au fluage de ces aciers vers 650-800 C, ainsi que leur limite élastique, on propose maintenant de les traiter par un procédé particulier lorsqu'ils sont destinés à des applications spéciales.
Dans le cas où l'on utilise ces aciers sous forme de tôles, on a intérêt à les fabriquer selon le procédé suivant, qui constitue l'invention. Ce mode de fabrication permet d'améliorer encore la limite Eo,2 des aciers mis en jeu et leur résistance à l'allongement par fluage au cours de la période de fluage secondaire proprement dite. Les tôles obtenues seront donc particulièrement aptes à certains emplois, par exemple dans les turbines à gaz et les réacteurs.
Selon le procédé de l'invention on effectue, sur un acier tel que décrit ci-dessus, un laminage à chaud que l'on termine par une passe d'autorecristallisation complète en grains de dimensions contrôlées, on effectue ensuite un laminage à froid et enfin un traitement thermique de recuit à température au plus égale à 1 0500 C et un refroidissement qui ne provoquent pas d'autorecristallisation complète du métal.
L'homme de l'art détermine dans chaque cas, selon l'analyse et l'utilisation de l'acier. les conditions pratiques de température, de taux de réduction, de chauffage et/ou de refroidissement de chaque phase du procédé.
Ces conditions tiennent compte de l'utilisation, car il est préférable que le service à haute température que l'on demandera à l'acier ne provoque pas non plus de recristallisation complète.
La passe finale du laminage à chaud -doit effacer l'écrouissage produit par les passes précédentes et provoquer dans l'acier la formation de grains dont les dimensions soient favorables à la suite du procédé. On sait en particulier que, pour obtenir des grains assez gros, il faut effectuer cette dernière passe à une température assez élevée avec un taux de réduction assez faible.
Le stade du laminage à froid provoque ensuite un nouvel écrouissage du métal. Les derniers stades sont destinés à détendre le métal sans provoquer de recristallisation complète.
Une mise en oeuvre du procédé et des résultats comparés sont exposés dans l'exemple suivant:
Exemple
On a mis en oeuvre un acier de composition:
C 0,045 %
Si 0,55 %
Cr 18,8 %
Ni 15,2 %
Mn 1,6 %
Mo 2,47 %
W 3,61 %
N2 0,20 %
V 0,37 %
B 0,003 %
Fe et impuretés reste
La tôle (9) a été obtenue par la méthode usuelle comprenant successivement un laminage à chaud, une hypertrempe à 1 1000 C, un laminage à froid, une hypertrempe à 1 1000 C. La tôle (10) a été obtenue par la méthode de l'invention comprenant ici successivement un laminage à chaud terminé par une passe à une température supérieure à 1 0000 C avec une réduction d'épaisseur comprise entre 5 et 15 0/o, un laminage à froid avec réduction d'épaisseur comprise entre 20 et 25 %,
une hypertrempe à partir d'une température de l'ordre de 970-1 000 C.
Le tableau suivant donne, pour les tôles (8) et (9).
les valeurs de la limite élastique Eo,2 (en kg/mm2), mesurées à diverses températures, et les valeurs de l'allongement (en % sur une longeueur initiale repérée égale à 5,65VS, S étant la section de l'éprouvette) après déformation par fluage obtenue par maintien à 700 C pendant 300 heures sous contrainte de 16 kg/ mm2 (essai normalisé).
Limite élastique (kg/mm2) Tôle 8 Tôle 9
à température ambiante 40 70
à2000C 35 65
à4000C 33 58
à6000C 29 50
à7000C 27 38
Allongement au fluage
( /o sur 5,65 1/ S) 1,8 0,3
Il y a lieu de noter que cette amélioration de résistance à l'allongement par fluage est obtenue sans modification appréciable de la limite de rupture au fluage, et avec une diminution de ductilité à la rupture par fluage de 40 /o à 20 Olo en moyenne, pour une rupture se produisant au bout de 800 heures environ.
Enfin la présentation de l'acier en tôles obtenues selon ce procédé lui confère une limite élastique et une résistance à l'allongement par fluage qui sont du même ordre de grandeur que celles d'un acier austénitique à durcissement structurel courant contenant Ti et Al.
REVENDICATION I
Procédé de laminage d'un acier inoxydable austénitique comprenant
C 6 0,175 % en poids
Si 6 1 /o en poids
Cr 15 à 20 /o en poids
Ni 4 à 16 /o en poids
Mn 1 à 12% en poids
W là 60/oenpoids
N2 # 0,15% en poids
V # 1,2 N2% en poids
B 0,001 à 0,005 /o en poids au moins l'un ou l'autre des éléments Mo et/ou Cu étant présent dans les limites suivantes:
:
Mo 6 4 % en poids
Cu # 4 oxo en poids alors que le reste consiste en Fe et impuretés
V + N2 6 0,65 caractérisé en ce que l'on soumet l'acier à un laminage à chaud, ce laminage étant terminé par une passe d'autorecristallisation complète en grains de dimensions contrôlées, on effectue un laminage à froid, puis un traitement thermique de recuit à une température ambiante, refroidissement qu'on effectue dans des conditions propres à détendre le métal sans provoquer de recristallisation complète.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'on met en jeu un acier dont la teneur en C est moins de ou égale à 0,060 %, la teneur en Cr est de 16 à 20 %, la teneur en Ni est de 6 à 10 %, celle en Mn est de 5 à 10 %, celle en W est de 2 à 4 % et celle en
Cu de 1 à 4%.
2. Procédé suivant la sous-revendication 1, caractérisé en ce qu'on met en jeu un acier comprenant, en outre, du molybdène en une quantité égale ou inférieure à 2 %.
3. Procédé suivant la sous-revendication 1 ou la sous-revendication 2, caractérisé en ce qu'on met en jeu un acier comprenant, en outre, du niobium en une auantité égale ou inférieure à 1 %.
4. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'on met en jeu un acier dont la teneur en C est moins de ou égale à 0,060 %, la teneur en chrome est de 15 à 19 %, celle en Ni est de 8 à 16 %, celle en Mn est de 1 à 3 %, celle en Mo est de 1 à 3 % et celle en
W est de 2 à 4 %.
5. Procédé suivant la sous-revendication 4, caractérisé en ce qu'on met en jeu un acier comprenant, en outre, du cuivre en une quantité égale ou inférieure à 3 solo.
6. Procédé suivant la sous-revendication 4 ou la sous-revendication 5, caractérisé en ce qu'on met en jeu un acier comprenant, en outre, du niobium en une quantité égale ou inférieure à 1 %.
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