CA1223140A - Acier inoxydable austenitique au cobalt ultra resistant a la cavitation erosive - Google Patents
Acier inoxydable austenitique au cobalt ultra resistant a la cavitation erosiveInfo
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- CA1223140A CA1223140A CA000457755A CA457755A CA1223140A CA 1223140 A CA1223140 A CA 1223140A CA 000457755 A CA000457755 A CA 000457755A CA 457755 A CA457755 A CA 457755A CA 1223140 A CA1223140 A CA 1223140A
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Abstract
Un acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, du type comprenant: 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 9,0% en poids de Mn; le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe. Cet acier inoxydable qui est utilisable pour la fabrication ou la réparation de pièces de machines hydrauliques, est caractérisé en ce que sa teneur en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus comme austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) et, parmis 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 métastable 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 .epsilon. et/ou en de la martensite .alpha. montrant un mâclage fin de déformation.
Description
:~2~3~
La presente invention a pour objet un acier inoxy-dable austénitique au cobalt ayant une tres grande resi~tance à la cavitation erosive de forte intensité le rendant tout parti-culièrement utile pour la fabrication ou la réparation de pièces de machines hydrauliques. L'invention a également pour objet les pieces de machines hydrauli~ues ainsi faites ou recouvertes dudit acier inoxydable au cobalt.
Le phénomène de cavitation que subissent notam-ment les machines hydrauliques telles que les turbines, pompes, hélices, vannes ou échangeurs, est un inconvenient bien connu des spécialistes. Par phénomene de cavitation, on entend le phénomene par lequel une cavité ou une bulle de vapeur se forme dans un liquide lorsque la pression locale descend au-dessous de la pression de vapeur. Lors-que la pression remonte au-dessus de celle de la vapeur, la bulle gaz ou de vapeur implose soudainement. Cette implo-sion s'accompagne de phénomènes physiques puissants, notam-ment d'un microjet qui suit la bulle et dont la vitesse peut atteindre les valeurs de plusieurs centaines de metres par seconde.
Lorsqu'un tel microjet rencontre une paroi, son energie cinetique est transformée en une onde de choc loca-lisée capable de délormer la surface métallique la plus dure et ainsi produire une érosion mécanique importante.
25 L' intensite des contraintes locales produite par ces impul-sions peut s'etendre sur une tres grande gamme dependant des conditions de nature du liquide, de la temperature e~
de la présence de gaz étranger, du taux de variation de pression et de la vitesse du liquide. Ces chocs répété~
érodent la surface métallique par propagation de fissures par fatigue (déformation élastique) ou par deformation plastique conduisant a un arrachement de particules de faibles dimensions.
L'observation des dommages sur plusieurs groupes . ~
. ,, : "' :;- ' ~ ., ' 23~
et pièces de machines hydrauligues de même ~ue le résultat dlessais acceleres de cavitation ~rosive ultrasonique effectue.s par divers spécialistes, inclus le present inven-teur, ont montre que les pi~ces des machines hydrauliques, et plus particulierement les pièces des turbines hydrauli-ques sont ge~éralement sujets à une gamme assez large d'in tensités de cavitation, laquelle gamme peut être divisée en deux categories impliquant chacune des solutions differentes.
Llune de ces categories couvre les phenomènes de cavitation erosive de faible intensité. L'autre de ces categories couvre les phenomenes de cavitation de fort~ intensité.
Les phenomenes de cavitation de faible intensité
que subissent les machines hydrauliques et plus particu-lierement les turbines hydrauliques, se produisent générale-ment sur de larges surfaces et affectent principalement les aciers au carbone, laissant les aciers inoxydables pratique-ment inattaqués. Ce type de cavitation produit une erosion lente des aciers au carbone, laquelle erosion est acceleree par des phenomènes de corrosion et/ou de coupage galvanique qui se produisent avec les alliages nobles, tels que des aciers inoxydables.
Pour remedier a cette partie du probleme, la meilleure solution consiste a utiliser des pièces entiere-ment faites en acier inoxydable. Une autre solution con-siste à souder une ou plusieurs couches d'acier inoxydable sur toutes les surfaces des pieces en acier au carbone sujettes a des phenomenes de cavitation de faible intensite, pour ainsi éviter l'effet synergetique d'erosion de cavita-; tion et de corrosion galvanique.
De leur côte, les phenomenes de cavitation de forte intensite se produisent plutôt sur les pièces de machines hydrauliques ou les groupes opérant sous des pres sicns ou vitesses d'eau superieures, uniquement sur des petites surfaces localisees, telles que par exemple, la `: : ','''!' ..
.... . . ....
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~"`" ' '"~' : , , ~'~23~
partie arrière des aubes des turbines. Ce type de cavitation produit une érosion rapide meme sur des mate-riaux de forte resistance tels que des aciers inoxydables austenitiques, avec des vitesses de perforation de l'ordre de 0,1 a 10 mm par an.
Pour contourner cette partie du probleme, des materiaux ayant une forte resistance a la cavitation sont necessaires. Des aciers ~urs tels que des alliages à base de cobalt de type STELLITE 1 et S~ITITE-6 (margues de commerce), des bronzes d'aluminium ou des matériaux polymères a haute resistance tel que le NYLON 66 (marque de commerce), ont eté essayés avec succès et sont utilises pour certaines applications particulieres. Il s'avere toutefois que ces applications particulieres sont relativement limitees en pratique, essentiellement paxce que la plupart des materiaux connus de forte resistance sont difficiles à usiner et à utiliser, en plus d'être relativement chers.
Il a ete reconnu recemment que c~ins alliages peuvent montrer une tres grande resistance a la cavitation sans p3ur autant être très durs. K.C. Anthony et al dans leur article The effect of composition and microstructure on cavitation erosion resistance, 5th Int. Conf. of Erosion by Solid and ~iquid Impact, article 67, Cambridge Angleterre, septembre 1979, ont en particulier demontre que, dans le cas des alliages a base de cobalt connu sous la marque STE~LITE, la resistance a la cavitation erosive n'est pas modifiee si l'on abaisse la concentration de carbone de l'alliage de 1,3 a 0,3% avec, comme resultat, une diminution de la durete de 40 a 25 RC. Ce resultat surprenant a conduit a essayer des alliages mous a base de cobalt a faible teneur ; en carbone, tel que le Stellite 21, pour reparer des domma-; ges causes par la cavitation dans des turbines hydrauliques.
Ces essais ont montré que les alliages mous a base de cobalt sont beaucoup plus effiaaces que les aciers inoxydables _ 4~
austéniti~ues 308 ou 301 lorsqu'ils sont soudes a la surface des pièces pour réparer les dommages causés par cavitation erosive de forte intensite. Plus particulière-ment encore, les alliages testés se sont avérés etre beau-coup plus faciles ~ meuler ce ~ui est très important pourde telles séparations et, bien ~ue de prix plus élevé, plus économiques a l'usage du fait qu'ils resistent plus de dix fois plus longtemps que les aciers inoxydables et ainsi réduisent substantiellement le nombre de réparations.
Le fait que les alliages mous notamment â base de cobalt puissent avoir une forte résistance de cavitation n'a pas encore ete explique de façon satisfaisante. A
l'origine, la tenue superieure à l'erosion des alliages au cobalt du type STELLIT~-6 a été attribuée a l'existence d'une transformation martensitique induite par deformation, laquelle transformation absorberait un pourcentage impor-tant de l'energie incidente de cavitation. Toutefois, des essais ulterieurs ont démontre que la contribution de cette transformation martensitique à la resistance a l'erosion des alliages est, si elle existe, mineure (voir, par exemple, D.A. Woodford, Cavitation-Erosion-Induced Phase Transforma-tion in Alloys,Met. Trans. vol. 3, page 1137, mai 1972; et S. Vaidya et al, aThe Role of Twinning in the Cavitation Erosion of Cobalt Single Crystals~t Met. Trans. A., vol.
llA, page 1139, juillet 1980). En fait, ces essais ont - plut8t démontré que toute amélioration dans la tenue dlun alliage à l'érosion est associée à une diminution de l'énergie de faute d'empilement (E.F.E.) des cristaux de l'alliage. Il a donc été suggere que le mode de glissement plan que l'on trouve dans les materiaux a faible E.F.E.
retarde le developpement des contraintes localisees neces-saires a l'amorce de fissures, avec, de la, une ameliora-tion de la resistance de l'alliage a la fatigue.
S. Vaidya et al ont également suggeré dans leur . ~ ;" ' ' . ' ., .~. . .
.. .. .: .
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article ci-dessus mentionné ~ue la présence d'un mâclage fin est responsable de l'excellente résistance ~ l'érosion du cobalt sous forme hexagonale compacte (H.C. en abrégé, ou encore phase E?, ladite forme H.C. étant une forme stable a basse température du cobalt provenant d'une trans-formation allotropique se produisant a 420C pour le cobalt pur a l'origine sous une orme cubique a face centrée (forme C.F~C. en abrégé, ou encore phase ~).
La présente invention est directement liée a la découverte du fait que des aciers inoxydables au cobalt a faible durete contenant aussi peu que 8 % en poids de cobalt possedent une résistance a la cavitation erosive aussi bonne que celle, excellente, que possedent les alliages contenant jusqu'a 65% de cobalt, a condition qu'au moins 60% en poids de~dits aciers inoxydables à faible te-neur en cobalt soit, a temperature ambiante, dans une phase cubique a face centree metastable y ayant une energie de faute d'empilement suffi~amment faible pour qu'elle puisse se transformer sous l'effet de la cavitation en une phase hexagonale comr paCtR E et/ou en de la martensite a montrant un maclage fin de deformation.
Plus particulierement, l'invention est liee a la découverte du fait que les alliages mous Fe-Cr.-Co-C ~ui possedent un maclage fin induit par la cavitation, lequel mâclage est spécifique aux cristaux a faible energie de faute d'empilement (E.F.E.), possedent également une résis-tance efficace a la cavitation au moyen des divers mécanis-mes suivants:
. - écrouissage et accomodation de contraintes élevées, retardant l'initiation de fissures de fatigue;
- extension du maclage plan a toute la surface de l'alliage conservant ce dernier lisse durant toute une période d'incubation; et - absorption continue de l'énergie de cavitation incldente par la production d'une grande densité de dislocation et de : :;
.
' ~Z~3~
particules érodees fines conduisant ainsi a de faibles taux d'erosion~
Sur la base de cette découverte, la présente invention a pour premier objet un acier inoxydable austénique au cobalt possedant une forte ~esistance à
la cavitation érosive, du type comprenant : 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;
~usqu'à 1,0% 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;
~: 15 le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, ledit acier étant caractérisé en ce que .~............ sa teneur en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus comme austénitisants (C, N, Co, Ni, ~ Mn) et, parmi ces elements ferritisants et austenitisants, ;~ 20 en elements connus poux ausmenter ou abaisser l'energie de faute d'empilement, est adéquatement choisie et ajustee de façon à ce qu'au moins 60~ en poids de l'acier soit, a la rature amblante, dans une phase cubique a face centree metastable y ayant une energie de faute d'empilement suffisamment faible p..our qu'elle :~ 25 puisse se transfo~mer sous l'e~Eet de la ca~itation e~ une phase hexagonale compacte ~ ou en de la martensite ~ m~ntrant un mâclage fin de déformation.
Comme on peut le constater à la lecture de la composition ci-dessus, l'acier inoxydable au Co selon l'in-vention a une faible teneur en carbone (inférieure à 0,3%).
Le fait que cet acier ait également une excellente résis-tance ~ la cavitation malgré cette faible teneur en carbone est compatible avec le résultat ci-dessus mentionné des observations faites par K.C. Anthony et al, à savoir l'ob-servation du fait que la forte résistance ~ la cavitation 3~
des al]iages de type STELLITE-6 est conservée même si la teneur en carbone de ces alliages est diminuée de 1,3 a 0,25~. Gc~
Tel que precedemment indique, au moins ~ en poids de l'acier inoxydable au cobalt selon l'invention doit être, a température ambiante, dans une phase cubique a face centree qui soit a la fois métastable et ait la plus faible énergie possible de faute d'empilement. La métastabilité
de la phase austenitique cubique à face centree y est un element essentiel de l'invention, puisqu'il est absolument nécessaire que l'acier soit capable, sous l'effet de la cavitation, d'etre transforme en phase hexagonale compacte E et/ou en martensite a. Pour obtenir la metastabilite nécessaire de la phase ~1 la teneur de l'acier en éléments respectivement connus ferritisants (Cr, Mo, Si~ et austeni-tisants (C, N, Co, Ni, Mn) doit etre adequatement choisie et ajustee de facon a tout juste stabiliser l'austenite (c'est~à-dire la phase y) notamment dans le cas d'un refroi-dissement rapide de l'acier, pour promouvoir une transforma-tion induite par cavitation de cette phase y en phase Eet/ou martensite.
Tel qu'indique egalement ci-dessus, l'acier inoxy-dable selon l'invention doit montrer un mâclage fin induit par la cavitation, lequel maclage est specifique aux cris-taux à faible energie de faute d'empilement. Pour obtenircette faible énergie de faute d'empilement, il est necessaire de tenir compte de la capacité de chaque element à abaisser ou augmenter l'energie de faute d'empilement, et d'ajuster la teneur respective des divers elements choisis pour cons-tituer l'acier de açon a ce que l'energie de faute d'empi-lement de l'ensemble des elements combines soit suffisamment faible pour qu'on ait un mâclage fin de deformation lorsque l'acier est sujet a la cavitation. Parmi les elements connus pour augmenter l'energie de faute d'empilement, on peut citer :
..; . -::
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La presente invention a pour objet un acier inoxy-dable austénitique au cobalt ayant une tres grande resi~tance à la cavitation erosive de forte intensité le rendant tout parti-culièrement utile pour la fabrication ou la réparation de pièces de machines hydrauliques. L'invention a également pour objet les pieces de machines hydrauli~ues ainsi faites ou recouvertes dudit acier inoxydable au cobalt.
Le phénomène de cavitation que subissent notam-ment les machines hydrauliques telles que les turbines, pompes, hélices, vannes ou échangeurs, est un inconvenient bien connu des spécialistes. Par phénomene de cavitation, on entend le phénomene par lequel une cavité ou une bulle de vapeur se forme dans un liquide lorsque la pression locale descend au-dessous de la pression de vapeur. Lors-que la pression remonte au-dessus de celle de la vapeur, la bulle gaz ou de vapeur implose soudainement. Cette implo-sion s'accompagne de phénomènes physiques puissants, notam-ment d'un microjet qui suit la bulle et dont la vitesse peut atteindre les valeurs de plusieurs centaines de metres par seconde.
Lorsqu'un tel microjet rencontre une paroi, son energie cinetique est transformée en une onde de choc loca-lisée capable de délormer la surface métallique la plus dure et ainsi produire une érosion mécanique importante.
25 L' intensite des contraintes locales produite par ces impul-sions peut s'etendre sur une tres grande gamme dependant des conditions de nature du liquide, de la temperature e~
de la présence de gaz étranger, du taux de variation de pression et de la vitesse du liquide. Ces chocs répété~
érodent la surface métallique par propagation de fissures par fatigue (déformation élastique) ou par deformation plastique conduisant a un arrachement de particules de faibles dimensions.
L'observation des dommages sur plusieurs groupes . ~
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et pièces de machines hydrauligues de même ~ue le résultat dlessais acceleres de cavitation ~rosive ultrasonique effectue.s par divers spécialistes, inclus le present inven-teur, ont montre que les pi~ces des machines hydrauliques, et plus particulierement les pièces des turbines hydrauli-ques sont ge~éralement sujets à une gamme assez large d'in tensités de cavitation, laquelle gamme peut être divisée en deux categories impliquant chacune des solutions differentes.
Llune de ces categories couvre les phenomènes de cavitation erosive de faible intensité. L'autre de ces categories couvre les phenomenes de cavitation de fort~ intensité.
Les phenomenes de cavitation de faible intensité
que subissent les machines hydrauliques et plus particu-lierement les turbines hydrauliques, se produisent générale-ment sur de larges surfaces et affectent principalement les aciers au carbone, laissant les aciers inoxydables pratique-ment inattaqués. Ce type de cavitation produit une erosion lente des aciers au carbone, laquelle erosion est acceleree par des phenomènes de corrosion et/ou de coupage galvanique qui se produisent avec les alliages nobles, tels que des aciers inoxydables.
Pour remedier a cette partie du probleme, la meilleure solution consiste a utiliser des pièces entiere-ment faites en acier inoxydable. Une autre solution con-siste à souder une ou plusieurs couches d'acier inoxydable sur toutes les surfaces des pieces en acier au carbone sujettes a des phenomenes de cavitation de faible intensite, pour ainsi éviter l'effet synergetique d'erosion de cavita-; tion et de corrosion galvanique.
De leur côte, les phenomenes de cavitation de forte intensite se produisent plutôt sur les pièces de machines hydrauliques ou les groupes opérant sous des pres sicns ou vitesses d'eau superieures, uniquement sur des petites surfaces localisees, telles que par exemple, la `: : ','''!' ..
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partie arrière des aubes des turbines. Ce type de cavitation produit une érosion rapide meme sur des mate-riaux de forte resistance tels que des aciers inoxydables austenitiques, avec des vitesses de perforation de l'ordre de 0,1 a 10 mm par an.
Pour contourner cette partie du probleme, des materiaux ayant une forte resistance a la cavitation sont necessaires. Des aciers ~urs tels que des alliages à base de cobalt de type STELLITE 1 et S~ITITE-6 (margues de commerce), des bronzes d'aluminium ou des matériaux polymères a haute resistance tel que le NYLON 66 (marque de commerce), ont eté essayés avec succès et sont utilises pour certaines applications particulieres. Il s'avere toutefois que ces applications particulieres sont relativement limitees en pratique, essentiellement paxce que la plupart des materiaux connus de forte resistance sont difficiles à usiner et à utiliser, en plus d'être relativement chers.
Il a ete reconnu recemment que c~ins alliages peuvent montrer une tres grande resistance a la cavitation sans p3ur autant être très durs. K.C. Anthony et al dans leur article The effect of composition and microstructure on cavitation erosion resistance, 5th Int. Conf. of Erosion by Solid and ~iquid Impact, article 67, Cambridge Angleterre, septembre 1979, ont en particulier demontre que, dans le cas des alliages a base de cobalt connu sous la marque STE~LITE, la resistance a la cavitation erosive n'est pas modifiee si l'on abaisse la concentration de carbone de l'alliage de 1,3 a 0,3% avec, comme resultat, une diminution de la durete de 40 a 25 RC. Ce resultat surprenant a conduit a essayer des alliages mous a base de cobalt a faible teneur ; en carbone, tel que le Stellite 21, pour reparer des domma-; ges causes par la cavitation dans des turbines hydrauliques.
Ces essais ont montré que les alliages mous a base de cobalt sont beaucoup plus effiaaces que les aciers inoxydables _ 4~
austéniti~ues 308 ou 301 lorsqu'ils sont soudes a la surface des pièces pour réparer les dommages causés par cavitation erosive de forte intensite. Plus particulière-ment encore, les alliages testés se sont avérés etre beau-coup plus faciles ~ meuler ce ~ui est très important pourde telles séparations et, bien ~ue de prix plus élevé, plus économiques a l'usage du fait qu'ils resistent plus de dix fois plus longtemps que les aciers inoxydables et ainsi réduisent substantiellement le nombre de réparations.
Le fait que les alliages mous notamment â base de cobalt puissent avoir une forte résistance de cavitation n'a pas encore ete explique de façon satisfaisante. A
l'origine, la tenue superieure à l'erosion des alliages au cobalt du type STELLIT~-6 a été attribuée a l'existence d'une transformation martensitique induite par deformation, laquelle transformation absorberait un pourcentage impor-tant de l'energie incidente de cavitation. Toutefois, des essais ulterieurs ont démontre que la contribution de cette transformation martensitique à la resistance a l'erosion des alliages est, si elle existe, mineure (voir, par exemple, D.A. Woodford, Cavitation-Erosion-Induced Phase Transforma-tion in Alloys,Met. Trans. vol. 3, page 1137, mai 1972; et S. Vaidya et al, aThe Role of Twinning in the Cavitation Erosion of Cobalt Single Crystals~t Met. Trans. A., vol.
llA, page 1139, juillet 1980). En fait, ces essais ont - plut8t démontré que toute amélioration dans la tenue dlun alliage à l'érosion est associée à une diminution de l'énergie de faute d'empilement (E.F.E.) des cristaux de l'alliage. Il a donc été suggere que le mode de glissement plan que l'on trouve dans les materiaux a faible E.F.E.
retarde le developpement des contraintes localisees neces-saires a l'amorce de fissures, avec, de la, une ameliora-tion de la resistance de l'alliage a la fatigue.
S. Vaidya et al ont également suggeré dans leur . ~ ;" ' ' . ' ., .~. . .
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article ci-dessus mentionné ~ue la présence d'un mâclage fin est responsable de l'excellente résistance ~ l'érosion du cobalt sous forme hexagonale compacte (H.C. en abrégé, ou encore phase E?, ladite forme H.C. étant une forme stable a basse température du cobalt provenant d'une trans-formation allotropique se produisant a 420C pour le cobalt pur a l'origine sous une orme cubique a face centrée (forme C.F~C. en abrégé, ou encore phase ~).
La présente invention est directement liée a la découverte du fait que des aciers inoxydables au cobalt a faible durete contenant aussi peu que 8 % en poids de cobalt possedent une résistance a la cavitation erosive aussi bonne que celle, excellente, que possedent les alliages contenant jusqu'a 65% de cobalt, a condition qu'au moins 60% en poids de~dits aciers inoxydables à faible te-neur en cobalt soit, a temperature ambiante, dans une phase cubique a face centree metastable y ayant une energie de faute d'empilement suffi~amment faible pour qu'elle puisse se transformer sous l'effet de la cavitation en une phase hexagonale comr paCtR E et/ou en de la martensite a montrant un maclage fin de deformation.
Plus particulierement, l'invention est liee a la découverte du fait que les alliages mous Fe-Cr.-Co-C ~ui possedent un maclage fin induit par la cavitation, lequel mâclage est spécifique aux cristaux a faible energie de faute d'empilement (E.F.E.), possedent également une résis-tance efficace a la cavitation au moyen des divers mécanis-mes suivants:
. - écrouissage et accomodation de contraintes élevées, retardant l'initiation de fissures de fatigue;
- extension du maclage plan a toute la surface de l'alliage conservant ce dernier lisse durant toute une période d'incubation; et - absorption continue de l'énergie de cavitation incldente par la production d'une grande densité de dislocation et de : :;
.
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particules érodees fines conduisant ainsi a de faibles taux d'erosion~
Sur la base de cette découverte, la présente invention a pour premier objet un acier inoxydable austénique au cobalt possedant une forte ~esistance à
la cavitation érosive, du type comprenant : 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;
~usqu'à 1,0% 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;
~: 15 le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, ledit acier étant caractérisé en ce que .~............ sa teneur en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus comme austénitisants (C, N, Co, Ni, ~ Mn) et, parmi ces elements ferritisants et austenitisants, ;~ 20 en elements connus poux ausmenter ou abaisser l'energie de faute d'empilement, est adéquatement choisie et ajustee de façon à ce qu'au moins 60~ en poids de l'acier soit, a la rature amblante, dans une phase cubique a face centree metastable y ayant une energie de faute d'empilement suffisamment faible p..our qu'elle :~ 25 puisse se transfo~mer sous l'e~Eet de la ca~itation e~ une phase hexagonale compacte ~ ou en de la martensite ~ m~ntrant un mâclage fin de déformation.
Comme on peut le constater à la lecture de la composition ci-dessus, l'acier inoxydable au Co selon l'in-vention a une faible teneur en carbone (inférieure à 0,3%).
Le fait que cet acier ait également une excellente résis-tance ~ la cavitation malgré cette faible teneur en carbone est compatible avec le résultat ci-dessus mentionné des observations faites par K.C. Anthony et al, à savoir l'ob-servation du fait que la forte résistance ~ la cavitation 3~
des al]iages de type STELLITE-6 est conservée même si la teneur en carbone de ces alliages est diminuée de 1,3 a 0,25~. Gc~
Tel que precedemment indique, au moins ~ en poids de l'acier inoxydable au cobalt selon l'invention doit être, a température ambiante, dans une phase cubique a face centree qui soit a la fois métastable et ait la plus faible énergie possible de faute d'empilement. La métastabilité
de la phase austenitique cubique à face centree y est un element essentiel de l'invention, puisqu'il est absolument nécessaire que l'acier soit capable, sous l'effet de la cavitation, d'etre transforme en phase hexagonale compacte E et/ou en martensite a. Pour obtenir la metastabilite nécessaire de la phase ~1 la teneur de l'acier en éléments respectivement connus ferritisants (Cr, Mo, Si~ et austeni-tisants (C, N, Co, Ni, Mn) doit etre adequatement choisie et ajustee de facon a tout juste stabiliser l'austenite (c'est~à-dire la phase y) notamment dans le cas d'un refroi-dissement rapide de l'acier, pour promouvoir une transforma-tion induite par cavitation de cette phase y en phase Eet/ou martensite.
Tel qu'indique egalement ci-dessus, l'acier inoxy-dable selon l'invention doit montrer un mâclage fin induit par la cavitation, lequel maclage est specifique aux cris-taux à faible energie de faute d'empilement. Pour obtenircette faible énergie de faute d'empilement, il est necessaire de tenir compte de la capacité de chaque element à abaisser ou augmenter l'energie de faute d'empilement, et d'ajuster la teneur respective des divers elements choisis pour cons-tituer l'acier de açon a ce que l'energie de faute d'empi-lement de l'ensemble des elements combines soit suffisamment faible pour qu'on ait un mâclage fin de deformation lorsque l'acier est sujet a la cavitation. Parmi les elements connus pour augmenter l'energie de faute d'empilement, on peut citer :
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2~
Ni et C. Parmi ceux connus pour abaisser l'E.F.E,, on peut citer Co, Si, Mn et N. Bien sûr, ces derniers élé-ments devront être choisis en priorite 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 ou il a l'avantage, en plus d'abaisser l'E.F.E., de conserver la métastabilité de la phase austénitique de l'acier sur une grande gamme de concentration.
L'exigence pour l'acier selon l'invention de montrer un mâclage fin induit par la cavitation est compa-tible avec le résultat des observations faites par S. Vaidya et al (voir ci~dessus) qui ont attribué la forte résistance de la cavitation des alliages a forte teneur en cobalt à la faible énergie de faute d'empilement de ces alliages et à
leur maclage plan de déformation. Il est à noter cependant qu'il est tout à fait surprenant au vu de l'etat de la technique que l'acier inox~dable selon l'invention qui con-tient moins de 30~ en poids de cobalt et jusqu'à 70~ en poids de fer puisse ainsi poss~der une energie de faute d'empilement aussi faible que /
.
- 7a ~
':` ~ ' ' . , .
. : .
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celle des alliages a forte teneur en cobaltl et un maclage à fin de déformation sensiblement identique (voir notamment l'article de ~.A. Woodford et al, A deformation Induced Phase Transformation Involving a Four-Laver Stacking Seq~ence in Co~Fe Alloy, Met. Trans.~ vol. 2, page 3223, 1971 ou il est indique que dans les alliages Fe-Co, seulement 15% en poids de fer est suffisant pour faire complètement disparaltre la transformation induite par cavitation de la phase ~ en phase E ) . Une explication possible ~ ce phénomène particulier est que, dans l'acier inoxydable selon l'invention, le chrome a une tres forte interaction avec le cobalt et le fer pour promouvoir la formation de cristaux a faible énergie de faute d'empilement.
La couche de surface des alliages Fe-Cr-Co-C
selon l'invention montre, apres exposition a la cavitation, ; un réseau tres fin de mâclage dans la phase he~agonale compacte (phase ~) ou la martensite ~O La présence de ce mâclage fin et continu obtenu sous exposition a la cavitation expli-que la forte résistance à la cavitation de l'alliage, qui, de par son mâclage, possede un moyen efficace d'absorber ; l'energie des chocs de cavitation par deformation de sa structure cristalline. Ce mâclage fin est egalement un excellent moyen d'accomoder les contraintes élevées et ainsi retarder la creation et la propagation de fissures de fati-2~ yue. L' écrouissage localisé associé a ce m~clage fin assure une extension du m&clage a toute la surface exposee au debut de l'exposition à la cavitation (periode d'incubation).
Ceci explique pourquoi la surface exposee demeure aussi plate et lisse durant la periode d'incubation, si on la compare a la surface de fort relief que l'on obtient avec des materiaux plus deformables. ~es surfaces plus lisses sont en effet moins sujettes a attaque par les microjets tan~entiels localisés qui se produisent lors de chaque imp~osion due à la cavitation. Ainsi, pendant la période `' ~ -~, , , ~23~
d'incubation, le seul relief de surface que subissent les aciers inoxydables au cobalt selon l'invention est le m~clage fin de deformation ci-dessus mentionne. Ce mâclage fin con-duit a de très faibles taux d'érosion compte tenu du fait que les particules érodées à la jonction des mailles sont très fines. La quantite importante de surfaces nouvellement créées pour une quantité donnee de métal perdue par érosion est un autre moyen efficace d'absorber l'energie de cavita-`~ tion incidente.
Selon un mode prefere de réalisation, l'acier inoxydable austénitique au cobalt selon l'invention comprend avantageusement:
de 10 à 30% en poids de Co;
; de 13 a 28~ en poids de Cr;
de 0,25 à 0,3% en poids de C; et jusqu'a 2~ en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement cons-titue de Fe.
Bien entendu, la teneur en chacun des elements ci-dessus mentionnes est adequatement choisie et ajustee tel qu'explique ci-dessus.
Un acier inoxyaable tout particulierement inte-ressant couvert par ce mode prefere de realisation est celui comprenant 10% en poids de Co, 18% en poids de Cr, et 0,3%
; 25 en poids de C, le pourcentage restant etant essentiellement constitue de Fe. I1 s'avere en effet que cet acier particu-lier est non seulement très efficace, mais un des moins chers. On peut en particulier noter que la composition de cet acier est sensiblement équivalente a la composition des aciers inoxydables de la série standard 300, la seule diffé-rence résidant dans llabsence de nickel (connu pour augmenter l'energie de faute d'empilement E.F.E.) remplace par une quantité accrue de Co (connu pour abaisser l'E.F.E.).
Selon un autre mode préferé de réalisation, ':
_ g _ . - ::
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' '., ~ ~' ~ '., -.. .: ::
:
~L2~3~4~
l'acier inoxydable austeni~ue au cobalt selon l'invention comprend avantageusement:
de 8 à 30% en poids de Co;
de 13 a 30% en poids de Cr;
de 0,03 a 0,3~ en poids de C;
de 3 a ~ en poids de Mn;
jusqu'a 0,3% en poids de N;
jusqu'a 3,0% en poids de Si;
~usqu'a 1,0% en poids de Ni; et jusqu'a 2~ en poids de Mo;
le pourcentage restant etant essentiellement constitue de Fe.
Tel que precedemment indique, l'acier inoxydable au Co selon l'invention est mou. Cet acier est moins cher - 9a -~: : , : -: ~:, . -.
-. ~
:-, .,, ~
~3~
que les alliages conventionnels a forte teneur en Co tels que le STELLITE 6 ou le STELLITE 21, tout en ayant sensible-ment la même résistance a la cavitation. Il en resulte que l'acier inoxydable selon llinvention offre une alternative économique aux alliages de type ~TELLITE 21 utilisés actuellement pour protéger les machines hydrauliques contre les effets de cavitation érosive. Des fils ou ~lectrodes de soudure faits a partir de l'acier selon l'invention peuvent être utilisés pour réparer des dommages dus à la cavitation. Des pieces de machines hydrauliques ou des groupes entiers peuvent également etre coulés ou complète-ment recouverts de cet acier qui est moins cher que le Stellite et est capable d'être laminé à chaud ~t à froid pour le développement et la-fabrication d'éléments de ma-chines hyd~auliques a forte resi6tance a la cavitation.
A la lumiere de ce qui précede, l'invention a pour autre objet toute piece en acier inoxydable pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, lorsque ladite piece est faite ou recouverte d'un acier inoxydable au Co a forte resistance à la cavitation selon l'invention.
Les pieces en acier inoxydable selon l'invention ont une résistance à la cavitation au moins egale aux pieces faites d'alliages plus durs du type STELLITE-l ou -6. Les aciers inoxydables selon l'invention étant mous, ils sont beaucoup plus faciles a meuler. En fait, les pieces selon l'invention ont tous les avantages des pieces faites a par-tir d'alliages mous a forte teneur en Co, du type 5TELLITE-21~ mais a moindre coût.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront mieux a la lecture de la description qui va suivre dlessais effectués par l'inven-teur, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
la fig. 1 est une courbe comparative des pertes , ~3~
en poids dues à la cavitation en fonction du temps pour di~ers types dlaciers et d'alliages au Co;
la fig. 2 est un diagramme donnant le taux d'éro-sion moyen de divers alliages au Co, inclus ceux selon l'invention, à partir d'essais de cavitation ultrasonique;
la fig. 3 montre des spectres de diffraction aux rayons X montrant la transformation de phase induite par cavitation érosive que subissent divers alliages au Co;
la fig. 4 est un diagramme de comparaison montrant le taux d'érosion par cavitation, la transformation de phase induite et l'écrouissage de divers alliages au Co, et la fig. 5 donne deux courbes comparatives de la micro dureté de surface en fonction du temps de cavitation et de la micro dureté en fonction de la profondeur d'é-chantillons d'aciers et d'alliages au Co sujets à érosion.
PROCEDURES EXPERIMENTALES
Les résultats expérimentaux ainsi que les données ci-dessous rapportées ont eté obtenus comme suit a) Résistance a la cavitation érosive de forte intensité
La résistance des aciers et alliages testés à la cavitation érosive 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 ~m dans de l'eau distillée à
22C furent mesurées chaque demi-heure pendant six heures au moyen d'une balance électrique précise au dixi~me de milligramme. Les matériaux testés sont listés dans le tableau I suivant, où l'on trouve également leur composi-tion nominale, leur procéde de fabrication, leur durete et leur structure cristallographique originale.
.~
~%~ 4(3 ~BLE~U 1 Composition et performance des aciers ou alliages testés . . .
ccMposITqoN Dure- Taux (% en poids) té d'érosion IDENTIFI Q TIC~ _ _ _ ~H~SES well) par cavi-Co Cr Fe C Autres % (mm~an) _ _ _ _ _ _ _ _ 1020 acierl2) _ _ 99 ,2 Ni Mo _ 75a - 25 perlite 89 RB Z80 308 acier(2) _ 18 72 ,04 9 _ _ 99y - 1~ 89 RB 115 301 acier (2) - 17 75 ,1 7 _ _ 77y - 23~ 94 RB 41 STELLITE 21( ) 60 25 11 ,25 _ 4 _ 99r - 1E 30 RC 3,2 STF~.ITE 2~4) 39 23 35 ,2 _ 3 _ 99y - 1~ 24 RC 9,3 Co # 1 30 25 40 ,25 _ 2 _ lOOy 94 RB 1,8 Co # 2 (4) 30 13 55 ,25 _ 2 _ lOOy 25 ~C 7,2 Co # 3 ( ) 20 28 51 t3 _ 1 _ 97y - 3 23 RC 2J2 Co ~ 4 (4) 20 18 61 ,3 _ 1 _ 88y - 12 22 RC 4,5 Co # 5 4 10 28 62 ,3 _ ,5 _ 16y - 84~ 21 RC 98 Co # 6 (4) 10 18 72 ,3 _ _ _ 93y - 6~ 28 RC 3,6 Co # 7 ( ) 20 23 50 ,15 6 _ _lOOy 85 RB10,2 Co # 8 4 15 28 56 ,3` 99y 27 RC4,0 Co # 9 (4) 15 18 66 ,3 95y 24 ~C3,7 Co #10 (4)20 13 66 ,3 ~ 60y - 40~ 32 RC6,7 Co #11 8 18 74 ,3 2y - 98~ 37 R~63 Co #12 (4)5 18 77 ,3 100~ 30 RC99 Co #13 (4)15 13 72` /3 100~ ~2 ~C42 Co #14 4)10 13 77 ,3 100~ 44 RC37 Co #15 ~4)~ 13 82 ,3 lloo~- 43 ~C38 Co #16 (4)12 19 70 ,2 ~ Mn N50y - 50~ 38 ~C15 Co #17 (4)12 19 69 ,2 1 _ _85y - 15~ 28 RC12 Co #18 (4)12 lg 68 ,2 1 1 _ 92y - 8~ 24 R214 Co #19 412 19 68 ,2 1 1 ,2 99y - 1~ 20 ~ 6,6 Co #20 (4)12 19 68 ,1 1 1 ,2 98y - 2~ 20 ~C~poreux) Co #21 12 19 66 ,2 _ 3 ,05 99y - 1~ 21 RC4,8 Co #22 (4)12 19 60 ,2 _ 9 ,05 lOOy 95 ~B8,1 Co $23 (4)8 13 57 ,1 3 9 ,05 lOOy 26 ~C2,4 Co #24 12 13 66 ,2 ~ 9 ,05 lOOy 21 RC4,2 CD #25 (4)12 19 66 ,2 3 _ ,1 lOOY 21 RC14,2 (1) : laminé à chaud (2) : deux couches protectrices soudées
Ni et C. Parmi ceux connus pour abaisser l'E.F.E,, on peut citer Co, Si, Mn et N. Bien sûr, ces derniers élé-ments devront être choisis en priorite 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 ou il a l'avantage, en plus d'abaisser l'E.F.E., de conserver la métastabilité de la phase austénitique de l'acier sur une grande gamme de concentration.
L'exigence pour l'acier selon l'invention de montrer un mâclage fin induit par la cavitation est compa-tible avec le résultat des observations faites par S. Vaidya et al (voir ci~dessus) qui ont attribué la forte résistance de la cavitation des alliages a forte teneur en cobalt à la faible énergie de faute d'empilement de ces alliages et à
leur maclage plan de déformation. Il est à noter cependant qu'il est tout à fait surprenant au vu de l'etat de la technique que l'acier inox~dable selon l'invention qui con-tient moins de 30~ en poids de cobalt et jusqu'à 70~ en poids de fer puisse ainsi poss~der une energie de faute d'empilement aussi faible que /
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celle des alliages a forte teneur en cobaltl et un maclage à fin de déformation sensiblement identique (voir notamment l'article de ~.A. Woodford et al, A deformation Induced Phase Transformation Involving a Four-Laver Stacking Seq~ence in Co~Fe Alloy, Met. Trans.~ vol. 2, page 3223, 1971 ou il est indique que dans les alliages Fe-Co, seulement 15% en poids de fer est suffisant pour faire complètement disparaltre la transformation induite par cavitation de la phase ~ en phase E ) . Une explication possible ~ ce phénomène particulier est que, dans l'acier inoxydable selon l'invention, le chrome a une tres forte interaction avec le cobalt et le fer pour promouvoir la formation de cristaux a faible énergie de faute d'empilement.
La couche de surface des alliages Fe-Cr-Co-C
selon l'invention montre, apres exposition a la cavitation, ; un réseau tres fin de mâclage dans la phase he~agonale compacte (phase ~) ou la martensite ~O La présence de ce mâclage fin et continu obtenu sous exposition a la cavitation expli-que la forte résistance à la cavitation de l'alliage, qui, de par son mâclage, possede un moyen efficace d'absorber ; l'energie des chocs de cavitation par deformation de sa structure cristalline. Ce mâclage fin est egalement un excellent moyen d'accomoder les contraintes élevées et ainsi retarder la creation et la propagation de fissures de fati-2~ yue. L' écrouissage localisé associé a ce m~clage fin assure une extension du m&clage a toute la surface exposee au debut de l'exposition à la cavitation (periode d'incubation).
Ceci explique pourquoi la surface exposee demeure aussi plate et lisse durant la periode d'incubation, si on la compare a la surface de fort relief que l'on obtient avec des materiaux plus deformables. ~es surfaces plus lisses sont en effet moins sujettes a attaque par les microjets tan~entiels localisés qui se produisent lors de chaque imp~osion due à la cavitation. Ainsi, pendant la période `' ~ -~, , , ~23~
d'incubation, le seul relief de surface que subissent les aciers inoxydables au cobalt selon l'invention est le m~clage fin de deformation ci-dessus mentionne. Ce mâclage fin con-duit a de très faibles taux d'érosion compte tenu du fait que les particules érodées à la jonction des mailles sont très fines. La quantite importante de surfaces nouvellement créées pour une quantité donnee de métal perdue par érosion est un autre moyen efficace d'absorber l'energie de cavita-`~ tion incidente.
Selon un mode prefere de réalisation, l'acier inoxydable austénitique au cobalt selon l'invention comprend avantageusement:
de 10 à 30% en poids de Co;
; de 13 a 28~ en poids de Cr;
de 0,25 à 0,3% en poids de C; et jusqu'a 2~ en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement cons-titue de Fe.
Bien entendu, la teneur en chacun des elements ci-dessus mentionnes est adequatement choisie et ajustee tel qu'explique ci-dessus.
Un acier inoxyaable tout particulierement inte-ressant couvert par ce mode prefere de realisation est celui comprenant 10% en poids de Co, 18% en poids de Cr, et 0,3%
; 25 en poids de C, le pourcentage restant etant essentiellement constitue de Fe. I1 s'avere en effet que cet acier particu-lier est non seulement très efficace, mais un des moins chers. On peut en particulier noter que la composition de cet acier est sensiblement équivalente a la composition des aciers inoxydables de la série standard 300, la seule diffé-rence résidant dans llabsence de nickel (connu pour augmenter l'energie de faute d'empilement E.F.E.) remplace par une quantité accrue de Co (connu pour abaisser l'E.F.E.).
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l'acier inoxydable austeni~ue au cobalt selon l'invention comprend avantageusement:
de 8 à 30% en poids de Co;
de 13 a 30% en poids de Cr;
de 0,03 a 0,3~ en poids de C;
de 3 a ~ en poids de Mn;
jusqu'a 0,3% en poids de N;
jusqu'a 3,0% en poids de Si;
~usqu'a 1,0% en poids de Ni; et jusqu'a 2~ en poids de Mo;
le pourcentage restant etant essentiellement constitue de Fe.
Tel que precedemment indique, l'acier inoxydable au Co selon l'invention est mou. Cet acier est moins cher - 9a -~: : , : -: ~:, . -.
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que les alliages conventionnels a forte teneur en Co tels que le STELLITE 6 ou le STELLITE 21, tout en ayant sensible-ment la même résistance a la cavitation. Il en resulte que l'acier inoxydable selon llinvention offre une alternative économique aux alliages de type ~TELLITE 21 utilisés actuellement pour protéger les machines hydrauliques contre les effets de cavitation érosive. Des fils ou ~lectrodes de soudure faits a partir de l'acier selon l'invention peuvent être utilisés pour réparer des dommages dus à la cavitation. Des pieces de machines hydrauliques ou des groupes entiers peuvent également etre coulés ou complète-ment recouverts de cet acier qui est moins cher que le Stellite et est capable d'être laminé à chaud ~t à froid pour le développement et la-fabrication d'éléments de ma-chines hyd~auliques a forte resi6tance a la cavitation.
A la lumiere de ce qui précede, l'invention a pour autre objet toute piece en acier inoxydable pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, lorsque ladite piece est faite ou recouverte d'un acier inoxydable au Co a forte resistance à la cavitation selon l'invention.
Les pieces en acier inoxydable selon l'invention ont une résistance à la cavitation au moins egale aux pieces faites d'alliages plus durs du type STELLITE-l ou -6. Les aciers inoxydables selon l'invention étant mous, ils sont beaucoup plus faciles a meuler. En fait, les pieces selon l'invention ont tous les avantages des pieces faites a par-tir d'alliages mous a forte teneur en Co, du type 5TELLITE-21~ mais a moindre coût.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront mieux a la lecture de la description qui va suivre dlessais effectués par l'inven-teur, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
la fig. 1 est une courbe comparative des pertes , ~3~
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la fig. 2 est un diagramme donnant le taux d'éro-sion moyen de divers alliages au Co, inclus ceux selon l'invention, à partir d'essais de cavitation ultrasonique;
la fig. 3 montre des spectres de diffraction aux rayons X montrant la transformation de phase induite par cavitation érosive que subissent divers alliages au Co;
la fig. 4 est un diagramme de comparaison montrant le taux d'érosion par cavitation, la transformation de phase induite et l'écrouissage de divers alliages au Co, et la fig. 5 donne deux courbes comparatives de la micro dureté de surface en fonction du temps de cavitation et de la micro dureté en fonction de la profondeur d'é-chantillons d'aciers et d'alliages au Co sujets à érosion.
PROCEDURES EXPERIMENTALES
Les résultats expérimentaux ainsi que les données ci-dessous rapportées ont eté obtenus comme suit a) Résistance a la cavitation érosive de forte intensité
La résistance des aciers et alliages testés à la cavitation érosive 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 ~m dans de l'eau distillée à
22C furent mesurées chaque demi-heure pendant six heures au moyen d'une balance électrique précise au dixi~me de milligramme. Les matériaux testés sont listés dans le tableau I suivant, où l'on trouve également leur composi-tion nominale, leur procéde de fabrication, leur durete et leur structure cristallographique originale.
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ccMposITqoN Dure- Taux (% en poids) té d'érosion IDENTIFI Q TIC~ _ _ _ ~H~SES well) par cavi-Co Cr Fe C Autres % (mm~an) _ _ _ _ _ _ _ _ 1020 acierl2) _ _ 99 ,2 Ni Mo _ 75a - 25 perlite 89 RB Z80 308 acier(2) _ 18 72 ,04 9 _ _ 99y - 1~ 89 RB 115 301 acier (2) - 17 75 ,1 7 _ _ 77y - 23~ 94 RB 41 STELLITE 21( ) 60 25 11 ,25 _ 4 _ 99r - 1E 30 RC 3,2 STF~.ITE 2~4) 39 23 35 ,2 _ 3 _ 99y - 1~ 24 RC 9,3 Co # 1 30 25 40 ,25 _ 2 _ lOOy 94 RB 1,8 Co # 2 (4) 30 13 55 ,25 _ 2 _ lOOy 25 ~C 7,2 Co # 3 ( ) 20 28 51 t3 _ 1 _ 97y - 3 23 RC 2J2 Co ~ 4 (4) 20 18 61 ,3 _ 1 _ 88y - 12 22 RC 4,5 Co # 5 4 10 28 62 ,3 _ ,5 _ 16y - 84~ 21 RC 98 Co # 6 (4) 10 18 72 ,3 _ _ _ 93y - 6~ 28 RC 3,6 Co # 7 ( ) 20 23 50 ,15 6 _ _lOOy 85 RB10,2 Co # 8 4 15 28 56 ,3` 99y 27 RC4,0 Co # 9 (4) 15 18 66 ,3 95y 24 ~C3,7 Co #10 (4)20 13 66 ,3 ~ 60y - 40~ 32 RC6,7 Co #11 8 18 74 ,3 2y - 98~ 37 R~63 Co #12 (4)5 18 77 ,3 100~ 30 RC99 Co #13 (4)15 13 72` /3 100~ ~2 ~C42 Co #14 4)10 13 77 ,3 100~ 44 RC37 Co #15 ~4)~ 13 82 ,3 lloo~- 43 ~C38 Co #16 (4)12 19 70 ,2 ~ Mn N50y - 50~ 38 ~C15 Co #17 (4)12 19 69 ,2 1 _ _85y - 15~ 28 RC12 Co #18 (4)12 lg 68 ,2 1 1 _ 92y - 8~ 24 R214 Co #19 412 19 68 ,2 1 1 ,2 99y - 1~ 20 ~ 6,6 Co #20 (4)12 19 68 ,1 1 1 ,2 98y - 2~ 20 ~C~poreux) Co #21 12 19 66 ,2 _ 3 ,05 99y - 1~ 21 RC4,8 Co #22 (4)12 19 60 ,2 _ 9 ,05 lOOy 95 ~B8,1 Co $23 (4)8 13 57 ,1 3 9 ,05 lOOy 26 ~C2,4 Co #24 12 13 66 ,2 ~ 9 ,05 lOOy 21 RC4,2 CD #25 (4)12 19 66 ,2 3 _ ,1 lOOY 21 RC14,2 (1) : laminé à chaud (2) : deux couches protectrices soudées
(3) : ~nne couche protectrice soudée
(4) : aciers experimentaux fondus dans un ~our à arc de laboratoire sur une plaque de cuivre re~roidi.
.~
~.22;~
Les alliages au Co expérimentaux Co #l à Co ~25 énumérés dans le tableau precédent furent préparés en fai-sant fondre sur une plaque de cuivre refroidie a l'eau dans un petit four à arc de laboratoire, un mélange appropri~ de plusieurs des constituants suivants: acier au carbone, acier inoxydable 304, STELLITE 21, ferrochrome, cobalt électrolyti-que, ferromanganèse et ferrosilicium. Il est à noter que les compositions de ces alliages expérimentaux a l'exception des alliages Co #7, 1~ et 15 qui furent testés pour fin de réfé-rencej tombent tous dans la fourchette de composition del'acier inoxydable au cobalt selon l'invention.
b) Autres mes res Des observations metallographiques, des mesures de microdureté et des spectres de diffraction aux rayons X
ont été effectuées après diverses périodes d'exposition à
la cavitation.
Les observations métallographiques ont été effec-tuées par la prise de micrographies optiques et à balayage électronique sur les surfaces érodées des échantillons apres diverses périodes d'exposition à la cavitation. Les surfaces des échantillons en question étaient à l'origine polies electrochimiquement et nettoyées a l'acide.
Les mesures de microdureté ont été effectuées par application d'un diamant pyramidal sur la surface érodée des échantillons après diverses périodes d'exposi-tion a la cavitation, jusqu'a ce que cette surface soit trop bosselée pour permettre des mesures.
Pour obtenir les spectres de diffraction aux rayons X, la longueur d~onde la plus longue CuK~ a été
choisie de façon a ce que la diffraction ne se fasse que sur une mince couche de surface (de l'ordre de lO ~m)O Le temps d'exposition à la cavitation fut choisi vers la fin de la période d'incubation de façon a ce que l'érosion de surface ait tout juste commencé.
: ` :
ESSAIS DE CAVITATION EROSIVE
Le tableau 1 ainsi que les figures 1 et 2 four-nissent les résultats des essais de cavitation érosive effectues par l'inventeur. Ces resultats dmontrent claire-ment que l'acier inoxydable 308 a une résistance à la cavi-tation deux fois supérieure a celle ce l'acier au carbone 1023 et que tous les alliages expérimentaux Co-Cr-Fe à l'ex-ception des alliages Co ~5r 7 et 11 a 15 ont une bien me.illeure résis-tance a la cavitation (de l'ordre de 10 a 50 fois supérieure) ; que llacier inoxydable 308 bien qu'ils n'aient une dureté
que très légerement superieure.
DIFFRACTION AUX RAYONS X
Le résultat des essais de diffraction aux rayonsX effectués par l'inventeur sont illustrés sur les figs 3 et ~ et résumés sur le tableau 2 suivant:
: .
~2~3~4~
Tran~foxmation de phase induite par erosion de cavitation ~ _ .
(ferrite ou ma~site) y (austenite) ~ (HC) l~C, (C~) . _ .. .
I(llO) / ~ I(220~ I(Oll) ~ I(002 (~) , d(llO) (%) , d1200) (%) , d(Oll) ~ , . ~_~ __ _ ~` 1020 0 100 , 2.026 0 ,_ 0 Lh 100 , 2.029 O ~_ O
,, 308 0 1 , 2.026gg ,1.~96 0 2h 17 , 2.03083 ,1.796 O
.~
`~ 301 o 23 , 2.02677 ,1.794 9 2h 100 , 2.023 O ,_ O
..
Co $3 0 O , ~7 ,1.796 3 t 1.941 ~` 20 C~- 28 Cr, 4h 30 r 2.030 7~1.799 63 ~ 1.939 __ ~ . _, .
Co ~4 O ~ B8 ,1.800 12 , 1.937 20 CO- 18 cr, 4h 83 ~ 2.036 14 ~ 1~807 3 ~ 1.941 . _ _ _ _ _ _ . _ C~ #5 0 84 ~ ~.03316 ~1.797 ~ ~ _ 10 CO- 28 Cr~ 2h 95 ~ 2.020 5 ~ 1.797 < 1 ~ ~
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C~ #6 - O 6 ~ 2.~3493 ~1.799 1 ~ _ 10 OO- 18 Cr~ 4h 97 1 2.039 2 t - 1 ~ _ _ _ _ ~
Stellite 2l, 00 , 99 , 1.796 1 r 1~941 60 Co- 28 Cr, 4h 0 , 24 , 1.799 76 ~ 1.939 _ _ __ _ ._ .
temps d'exposition ~ la cavitation.
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... . .
3~
Le tableau ci-dessus montre que l'échantillon d'acier au carbone 1020 est le seul matériau qui n'a montré
aucune transformation de phase induite par déformation après exposition a la cavitation. Tel que prévu, une faible por-tion seulement de la surface érodée de l'échantillon en acier inoxydable austenitique 308 a été transformée en martensite.
Il est intéressant de noter que sur cet acier, l'exposition ~ la cavitation a modifié la texture de la surface en éro-dant les grains de surface orientés (200), les grains orientés (111) montrant une resistance superieure.
L'acier inoxydable 301 qui etait partiellement martensitique lorsque soude, a eu sa surface complètement transformee en martensite sous l'effet de la cavitation.
L'alliage Co #5 (10% de cobalt) qui était essentiellement ferritique lorsque ~ondu avec un petit pourcentage d'austé-nite, a été presque complatement transformé en martensite 50US l'exposition à la cavitation. L'alliage Co #3 (20% de cobalt) qui était austénitique lorsgue fondu, a été trans-formé superficiellement en phase hexagonale compacte ~, avec ~; 20 un petit pourcentage de martensite, alors que la surface de l'echantillon en STELLITE 21 a éte transformée de façon moins importante en phase E seulement. De façon tout ~ fait surprenante, l'alliage Co #6 (10~ cobalt, 18% chrome) a montré une excellente résistance à la cavitation avec une transformation induite en martensite ~ plutot qu'en phase ~.
A l'opposé, les alliages Co #11 a 15 qui étaient martensiti-ques à l'etat tel que coule (voir tableau 1), n'ont pas montré la meilleure résistance à la cavitation.
Au vu des résulta~s ci-dessus, on peut constater que le degre de transformation induite par la cavitation suit l'ordre croissant suivant: 1020 (environ %?, co #5 (environ 10~), 308 (environ 15~), 301 (environ 75%~, STELLITE 21 (environ 75~), Co #3 (environ 90%?, Co #6 (environ 90~).
Tel qu'illustré sur la figure 4, le durcissement induit par cavitation suit sensiblement le même ordre.
. . ,: ;
:~23~4~
MICRODURETE
Les résultats des mesures de microdureté effec-tuees par l'inventeur sont présentés sur la figure 5.
La figure 5A montre qu'il y a une importante augmentation de la dureté de la surface des alliages les plus résistants au cours de la période d'incubation. Aucun durcissement de deformation n'a eté mesuré sur la ferrite molle de l'echantillon en acier au carbone. L'alliage expérimental Co #3 qui, lorsque fondu, est plus mou que le STELLITE 21, a montré le plus fort durcissement, avec une dureté finale superieure à celle du STELLITE 21. Cette dureté a augmente très rapidement au début de la période d'incubation.
~`~ 15 La mesure de microdureté en profondeur telle que rapportée sur la figure 5 démontre que le durcissement par déformation du à la cavitation est limité à une couche de surface très mince (inferieure ~ 50 ~m), ce qui rend ce genre de mesure tres difficile.
MICROGRAPHIES
Diverses micrographies ont ete prises de la sur-face de certains échantillons apres exposition ~ la cavita-tion. Sur la surface de l'échantillon en acier carbone 1020, des traces de chocs d'implosion de cavitation condui-sont a une surface bosseuse plus rugueuse, ont eté observés par eclairage de Nomarski. La densité des trous et des bosses a augmente rapidement avec la durée d'exposition ~
la cavitation pour atteindre plus que 2000/mm2 en seulement 30 secondes. La ferrite s'est averée beaucoup plus deformee que la perlite, les particules de ferrite étant cassées et arrachées des noyaux de perlite plus durs en seulement 30 minutes.
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. .
~æ,2~
A peu près la meme rugosité a été observee sur l'echantillon en acier inox~dable austénitique 308, si ce n'est que la cassure et l'arrachement des particules se produisent plus tard et de façon plus homogene sur cet échantillon de phase unique. Très peu de lignes marten-sitites elles-memes très pales ont pu être observées sur la surface déformée. Sur lléchantillon en acier inoxydable 301, les aiguilles de martensite brute présentes dans l'échantillon tel que soudé, se trouverent amincies et multipliées par les chocs de cavitation. La rugosité fut moins prononcee et de beaucoup plus petites fissures furent observées apres 30 min. Sur deux des alliages au cobalt essayés, à savoir le STELLITE 21 (65~ de cobalt) et l'alliage Co #3 (environ 25% de cobalt) des résultats tout a fait différents furent observés. Les trous causés par les chocs se sont avérés plus petits, et n'ont pas conduit a une rugosité prononcée de la surface. De nombreuses lignes de maclage qui ont déjà été identifiées comme telles dans la litterature dans le cas du cobalt pur, sont appa-rues très rapidement, apres seulement quelques secondesd'exposition à la cavitation. Au fur et a mesure que le temps de cavitation augmentait, la densite des lignes de mâclage et le maclage de déformation ont augmenté, pour conduire a un réseau très dense de mâcles jointives très fines apres une ou deux heures. A ce moment, l'erosion a commence, avec arrachement de petites particules carrées produites par issuration de l'interface a la jointure des grains ou des mâcles. Dans l'alliage expérimental Co #3, la surface de mâclage était séparée par de petites régions interdentitriques faites en martensite, qui semblaient être tres fines et posséder une résistance à la cavitation aussi bonne que les zones de m~clage parallèle les plus fines. Comme dans le cas du cobalt pur, l'orientation des grains qui favorisent le m~clage parall~le le plus fin dans , .
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4~
le plan hexagonal compact dense (0001) a montré la plus forte resistance a la cavitation. Ce meme mâclage fin a egalement ~te observé dans la martensite pure de l'alliage txansf~rme Co #6.
L'observation de micrographies prises sur des coupes faites dans les échantillons a également montré une zone de fissuration et de deformations plus grande (environ 30 ~m) pour l'acier au carbone 1020. Cette zone était beaucoup plus petite dans le cas des aciers inoxydables ~ 10 ~quelques microns). Pour les échantillons en alliages au `~ cobalt, la couche de surface sujette à cavitation a semblé
tr~es mince (inférieure à 1 ~m). Aucun mâclage induit par cavitation n'a pu être observé sur ces coupes. Il est intéressant de noter comment les zones observées juste en dessous de la surface ont semble non affectées par les chocs de cavitation, comme si le mâclage de surface etait un moyen extrêmement efficace d'absorber les chocs de cavitation pour protéger l'échantillon. De fason générale, plus la résistance à la cavitation d'un échantillon s'est avérée grande, plus sa surface s'est avéree demeurer lisse sous exposition à la cavitation.
CONCLUSIONS
Les essais, mesures et observations ci-dessus rapportes montrent clairement que tous les alliages experi-mentaux selon l'invention, à l'exception de l'alliage Co #5, 7 et 11 à 15,ont une résistance a là cavitation sensiblement identique à celle excellente des alliages à forte teneur en cobalt, tel que le STELLITE 21.
Les donnees ci-dessus, notamment le resultat des essais de dif-fraction aux rayons X, montrent egalement que l'excellente résistance à la cavitation des alliages au cobalt selon l'invention peut être attribuee au reseau fin : . .
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3~
de mâclaye par déformation accompagnant la transformation en phase hexagonale compacte E OU en martensite ~, ce mâclage induit par cavitation étant spécifique aux cristaux à faible énergie de faute d'empilement.
Le fait qu'aucun mâclage fin et qu'une faible résistance a la cavitation ont été observes sur les alliages expérimentaux Co #5 et 11 a 15 qui étaient principalement soit ferritiques, soit martensitiques avant d'être sujet à exposition à la cavitation, semble indiquer que la transformation induite par cavitation de la phase C.F.C. y en une phase H.C. ~ et/ou en de la .martensite ~ 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 ~ 15 selon l'invention soit dans une phase austenitique métasta-: ble a température ambiante.
. Si la stabilité de la phase austenitique de l'acier est trop bonne, la transformation de phase sous exposition a la cavitation sera faible. Ainsi, par exemple, l'alliage Co #3 (20% de cobalt) présente une transformation de phase induite par cavitation ainsi qu'un ecrouissage plus prononce que le STELLITE 21 t65% de cobalt) qui est connu comme étant tres stable. Cet alliage Co #3 s'avere egalement posséder une résistance sur la cavitation supe-rieure, m~me si cet alliage a une durete initiale inferieure (23 RC par rapport a 30 RC pour le STELLITE 21). A ce sujet, on peut noter que la composition que doivent avoir les aciers inoxydables pour offrir la meilleure résistance : possible a la cavitation peut inclure divers durcisseurs tels que du molybdene, pour maintenir le même degré de transformation de phase.
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 ferriti-: 35 sants ~Cr, Mo, Si) et austénitisants ~C, N, Co, Ni, Mn) :~ - 20 -.
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... , .,. ~i,,, -,:; , ,, - : :
'`' ~3~
doit etre adequatement choisie et ajustée de façon a à
peine stabiliser l'aust~nite particulièrement dans le cas d'un refroidissement rapide, pour ainsi promouvoir une transformation induite par la cavitation de la phase ~ en phase ~ ou en martensite, la forte résistance à la cavita-tion des aciers selon l'invention résultant principalement de leur composition où les éléments connus pour augmenter l'énergie de faute d'empllement, à savoir le carbone et le nickel, sont remplacés autant que possible par des élements connus pour abaisser cette énergie de faute d'empilement tels que Co, Si, Mn et N et ainsi oo~duire à un mâclage de deformation plus in.
Les aciers inoxydables au cobalt selon l'inven-tion peuvent avantageusement être utilisés pour la fabrica-tion et la reparation de pièces ou de groupes de machines hydrauliques, tels que des turbines, des pompes, des robi-nats etc. Ils peuvent être utilisés soit comme recouvrements soudés sur de l'acier au carbone, soit comme materiau~ de base, coules ou sous forme de tôle, pour la fabrication de machines toutes faites en acier inoxydable. Ces aciers peuvent en outre etre lamines a chaud ou a ~roid et etre developpes en fils ou électrodes de soudage pour remplacer le STELLITE 21 beaucoup plus cher utilise pour reparer les dommages de cavitation des turbines hydrauliques.
On doit noter qu'aucun traitement thermique ou mecanique special n'est re~uis, dans l'etat tel que coule ou soude, pour obtenir la meilleure resistance a la cavitation de c~s aciers inoxydables austenitiques au cobalt. S'ils doivent etre déformés à froid pour des besoins de mise en forme de fil ou de t81e par exemple, on doit alors leur faire subir un traitement thermique de recuit à haute tem-pérature, comme pour les aciers inoxydables austénitiques standards. Leur meilleure formabilité que les alliages à
base de cobalt est un autre avantage economique surtout pour la fabrication en fil de soudage.
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~.22;~
Les alliages au Co expérimentaux Co #l à Co ~25 énumérés dans le tableau precédent furent préparés en fai-sant fondre sur une plaque de cuivre refroidie a l'eau dans un petit four à arc de laboratoire, un mélange appropri~ de plusieurs des constituants suivants: acier au carbone, acier inoxydable 304, STELLITE 21, ferrochrome, cobalt électrolyti-que, ferromanganèse et ferrosilicium. Il est à noter que les compositions de ces alliages expérimentaux a l'exception des alliages Co #7, 1~ et 15 qui furent testés pour fin de réfé-rencej tombent tous dans la fourchette de composition del'acier inoxydable au cobalt selon l'invention.
b) Autres mes res Des observations metallographiques, des mesures de microdureté et des spectres de diffraction aux rayons X
ont été effectuées après diverses périodes d'exposition à
la cavitation.
Les observations métallographiques ont été effec-tuées par la prise de micrographies optiques et à balayage électronique sur les surfaces érodées des échantillons apres diverses périodes d'exposition à la cavitation. Les surfaces des échantillons en question étaient à l'origine polies electrochimiquement et nettoyées a l'acide.
Les mesures de microdureté ont été effectuées par application d'un diamant pyramidal sur la surface érodée des échantillons après diverses périodes d'exposi-tion a la cavitation, jusqu'a ce que cette surface soit trop bosselée pour permettre des mesures.
Pour obtenir les spectres de diffraction aux rayons X, la longueur d~onde la plus longue CuK~ a été
choisie de façon a ce que la diffraction ne se fasse que sur une mince couche de surface (de l'ordre de lO ~m)O Le temps d'exposition à la cavitation fut choisi vers la fin de la période d'incubation de façon a ce que l'érosion de surface ait tout juste commencé.
: ` :
ESSAIS DE CAVITATION EROSIVE
Le tableau 1 ainsi que les figures 1 et 2 four-nissent les résultats des essais de cavitation érosive effectues par l'inventeur. Ces resultats dmontrent claire-ment que l'acier inoxydable 308 a une résistance à la cavi-tation deux fois supérieure a celle ce l'acier au carbone 1023 et que tous les alliages expérimentaux Co-Cr-Fe à l'ex-ception des alliages Co ~5r 7 et 11 a 15 ont une bien me.illeure résis-tance a la cavitation (de l'ordre de 10 a 50 fois supérieure) ; que llacier inoxydable 308 bien qu'ils n'aient une dureté
que très légerement superieure.
DIFFRACTION AUX RAYONS X
Le résultat des essais de diffraction aux rayonsX effectués par l'inventeur sont illustrés sur les figs 3 et ~ et résumés sur le tableau 2 suivant:
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~2~3~4~
Tran~foxmation de phase induite par erosion de cavitation ~ _ .
(ferrite ou ma~site) y (austenite) ~ (HC) l~C, (C~) . _ .. .
I(llO) / ~ I(220~ I(Oll) ~ I(002 (~) , d(llO) (%) , d1200) (%) , d(Oll) ~ , . ~_~ __ _ ~` 1020 0 100 , 2.026 0 ,_ 0 Lh 100 , 2.029 O ~_ O
,, 308 0 1 , 2.026gg ,1.~96 0 2h 17 , 2.03083 ,1.796 O
.~
`~ 301 o 23 , 2.02677 ,1.794 9 2h 100 , 2.023 O ,_ O
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Co $3 0 O , ~7 ,1.796 3 t 1.941 ~` 20 C~- 28 Cr, 4h 30 r 2.030 7~1.799 63 ~ 1.939 __ ~ . _, .
Co ~4 O ~ B8 ,1.800 12 , 1.937 20 CO- 18 cr, 4h 83 ~ 2.036 14 ~ 1~807 3 ~ 1.941 . _ _ _ _ _ _ . _ C~ #5 0 84 ~ ~.03316 ~1.797 ~ ~ _ 10 CO- 28 Cr~ 2h 95 ~ 2.020 5 ~ 1.797 < 1 ~ ~
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C~ #6 - O 6 ~ 2.~3493 ~1.799 1 ~ _ 10 OO- 18 Cr~ 4h 97 1 2.039 2 t - 1 ~ _ _ _ _ ~
Stellite 2l, 00 , 99 , 1.796 1 r 1~941 60 Co- 28 Cr, 4h 0 , 24 , 1.799 76 ~ 1.939 _ _ __ _ ._ .
temps d'exposition ~ la cavitation.
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Le tableau ci-dessus montre que l'échantillon d'acier au carbone 1020 est le seul matériau qui n'a montré
aucune transformation de phase induite par déformation après exposition a la cavitation. Tel que prévu, une faible por-tion seulement de la surface érodée de l'échantillon en acier inoxydable austenitique 308 a été transformée en martensite.
Il est intéressant de noter que sur cet acier, l'exposition ~ la cavitation a modifié la texture de la surface en éro-dant les grains de surface orientés (200), les grains orientés (111) montrant une resistance superieure.
L'acier inoxydable 301 qui etait partiellement martensitique lorsque soude, a eu sa surface complètement transformee en martensite sous l'effet de la cavitation.
L'alliage Co #5 (10% de cobalt) qui était essentiellement ferritique lorsque ~ondu avec un petit pourcentage d'austé-nite, a été presque complatement transformé en martensite 50US l'exposition à la cavitation. L'alliage Co #3 (20% de cobalt) qui était austénitique lorsgue fondu, a été trans-formé superficiellement en phase hexagonale compacte ~, avec ~; 20 un petit pourcentage de martensite, alors que la surface de l'echantillon en STELLITE 21 a éte transformée de façon moins importante en phase E seulement. De façon tout ~ fait surprenante, l'alliage Co #6 (10~ cobalt, 18% chrome) a montré une excellente résistance à la cavitation avec une transformation induite en martensite ~ plutot qu'en phase ~.
A l'opposé, les alliages Co #11 a 15 qui étaient martensiti-ques à l'etat tel que coule (voir tableau 1), n'ont pas montré la meilleure résistance à la cavitation.
Au vu des résulta~s ci-dessus, on peut constater que le degre de transformation induite par la cavitation suit l'ordre croissant suivant: 1020 (environ %?, co #5 (environ 10~), 308 (environ 15~), 301 (environ 75%~, STELLITE 21 (environ 75~), Co #3 (environ 90%?, Co #6 (environ 90~).
Tel qu'illustré sur la figure 4, le durcissement induit par cavitation suit sensiblement le même ordre.
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MICRODURETE
Les résultats des mesures de microdureté effec-tuees par l'inventeur sont présentés sur la figure 5.
La figure 5A montre qu'il y a une importante augmentation de la dureté de la surface des alliages les plus résistants au cours de la période d'incubation. Aucun durcissement de deformation n'a eté mesuré sur la ferrite molle de l'echantillon en acier au carbone. L'alliage expérimental Co #3 qui, lorsque fondu, est plus mou que le STELLITE 21, a montré le plus fort durcissement, avec une dureté finale superieure à celle du STELLITE 21. Cette dureté a augmente très rapidement au début de la période d'incubation.
~`~ 15 La mesure de microdureté en profondeur telle que rapportée sur la figure 5 démontre que le durcissement par déformation du à la cavitation est limité à une couche de surface très mince (inferieure ~ 50 ~m), ce qui rend ce genre de mesure tres difficile.
MICROGRAPHIES
Diverses micrographies ont ete prises de la sur-face de certains échantillons apres exposition ~ la cavita-tion. Sur la surface de l'échantillon en acier carbone 1020, des traces de chocs d'implosion de cavitation condui-sont a une surface bosseuse plus rugueuse, ont eté observés par eclairage de Nomarski. La densité des trous et des bosses a augmente rapidement avec la durée d'exposition ~
la cavitation pour atteindre plus que 2000/mm2 en seulement 30 secondes. La ferrite s'est averée beaucoup plus deformee que la perlite, les particules de ferrite étant cassées et arrachées des noyaux de perlite plus durs en seulement 30 minutes.
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A peu près la meme rugosité a été observee sur l'echantillon en acier inox~dable austénitique 308, si ce n'est que la cassure et l'arrachement des particules se produisent plus tard et de façon plus homogene sur cet échantillon de phase unique. Très peu de lignes marten-sitites elles-memes très pales ont pu être observées sur la surface déformée. Sur lléchantillon en acier inoxydable 301, les aiguilles de martensite brute présentes dans l'échantillon tel que soudé, se trouverent amincies et multipliées par les chocs de cavitation. La rugosité fut moins prononcee et de beaucoup plus petites fissures furent observées apres 30 min. Sur deux des alliages au cobalt essayés, à savoir le STELLITE 21 (65~ de cobalt) et l'alliage Co #3 (environ 25% de cobalt) des résultats tout a fait différents furent observés. Les trous causés par les chocs se sont avérés plus petits, et n'ont pas conduit a une rugosité prononcée de la surface. De nombreuses lignes de maclage qui ont déjà été identifiées comme telles dans la litterature dans le cas du cobalt pur, sont appa-rues très rapidement, apres seulement quelques secondesd'exposition à la cavitation. Au fur et a mesure que le temps de cavitation augmentait, la densite des lignes de mâclage et le maclage de déformation ont augmenté, pour conduire a un réseau très dense de mâcles jointives très fines apres une ou deux heures. A ce moment, l'erosion a commence, avec arrachement de petites particules carrées produites par issuration de l'interface a la jointure des grains ou des mâcles. Dans l'alliage expérimental Co #3, la surface de mâclage était séparée par de petites régions interdentitriques faites en martensite, qui semblaient être tres fines et posséder une résistance à la cavitation aussi bonne que les zones de m~clage parallèle les plus fines. Comme dans le cas du cobalt pur, l'orientation des grains qui favorisent le m~clage parall~le le plus fin dans , .
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le plan hexagonal compact dense (0001) a montré la plus forte resistance a la cavitation. Ce meme mâclage fin a egalement ~te observé dans la martensite pure de l'alliage txansf~rme Co #6.
L'observation de micrographies prises sur des coupes faites dans les échantillons a également montré une zone de fissuration et de deformations plus grande (environ 30 ~m) pour l'acier au carbone 1020. Cette zone était beaucoup plus petite dans le cas des aciers inoxydables ~ 10 ~quelques microns). Pour les échantillons en alliages au `~ cobalt, la couche de surface sujette à cavitation a semblé
tr~es mince (inférieure à 1 ~m). Aucun mâclage induit par cavitation n'a pu être observé sur ces coupes. Il est intéressant de noter comment les zones observées juste en dessous de la surface ont semble non affectées par les chocs de cavitation, comme si le mâclage de surface etait un moyen extrêmement efficace d'absorber les chocs de cavitation pour protéger l'échantillon. De fason générale, plus la résistance à la cavitation d'un échantillon s'est avérée grande, plus sa surface s'est avéree demeurer lisse sous exposition à la cavitation.
CONCLUSIONS
Les essais, mesures et observations ci-dessus rapportes montrent clairement que tous les alliages experi-mentaux selon l'invention, à l'exception de l'alliage Co #5, 7 et 11 à 15,ont une résistance a là cavitation sensiblement identique à celle excellente des alliages à forte teneur en cobalt, tel que le STELLITE 21.
Les donnees ci-dessus, notamment le resultat des essais de dif-fraction aux rayons X, montrent egalement que l'excellente résistance à la cavitation des alliages au cobalt selon l'invention peut être attribuee au reseau fin : . .
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de mâclaye par déformation accompagnant la transformation en phase hexagonale compacte E OU en martensite ~, ce mâclage induit par cavitation étant spécifique aux cristaux à faible énergie de faute d'empilement.
Le fait qu'aucun mâclage fin et qu'une faible résistance a la cavitation ont été observes sur les alliages expérimentaux Co #5 et 11 a 15 qui étaient principalement soit ferritiques, soit martensitiques avant d'être sujet à exposition à la cavitation, semble indiquer que la transformation induite par cavitation de la phase C.F.C. y en une phase H.C. ~ et/ou en de la .martensite ~ 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 ~ 15 selon l'invention soit dans une phase austenitique métasta-: ble a température ambiante.
. Si la stabilité de la phase austenitique de l'acier est trop bonne, la transformation de phase sous exposition a la cavitation sera faible. Ainsi, par exemple, l'alliage Co #3 (20% de cobalt) présente une transformation de phase induite par cavitation ainsi qu'un ecrouissage plus prononce que le STELLITE 21 t65% de cobalt) qui est connu comme étant tres stable. Cet alliage Co #3 s'avere egalement posséder une résistance sur la cavitation supe-rieure, m~me si cet alliage a une durete initiale inferieure (23 RC par rapport a 30 RC pour le STELLITE 21). A ce sujet, on peut noter que la composition que doivent avoir les aciers inoxydables pour offrir la meilleure résistance : possible a la cavitation peut inclure divers durcisseurs tels que du molybdene, pour maintenir le même degré de transformation de phase.
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 ferriti-: 35 sants ~Cr, Mo, Si) et austénitisants ~C, N, Co, Ni, Mn) :~ - 20 -.
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doit etre adequatement choisie et ajustée de façon a à
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Les aciers inoxydables au cobalt selon l'inven-tion peuvent avantageusement être utilisés pour la fabrica-tion et la reparation de pièces ou de groupes de machines hydrauliques, tels que des turbines, des pompes, des robi-nats etc. Ils peuvent être utilisés soit comme recouvrements soudés sur de l'acier au carbone, soit comme materiau~ de base, coules ou sous forme de tôle, pour la fabrication de machines toutes faites en acier inoxydable. Ces aciers peuvent en outre etre lamines a chaud ou a ~roid et etre developpes en fils ou électrodes de soudage pour remplacer le STELLITE 21 beaucoup plus cher utilise pour reparer les dommages de cavitation des turbines hydrauliques.
On doit noter qu'aucun traitement thermique ou mecanique special n'est re~uis, dans l'etat tel que coule ou soude, pour obtenir la meilleure resistance a la cavitation de c~s aciers inoxydables austenitiques au cobalt. S'ils doivent etre déformés à froid pour des besoins de mise en forme de fil ou de t81e par exemple, on doit alors leur faire subir un traitement thermique de recuit à haute tem-pérature, comme pour les aciers inoxydables austénitiques standards. Leur meilleure formabilité que les alliages à
base de cobalt est un autre avantage economique surtout pour la fabrication en fil de soudage.
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Claims (22)
1. Acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, du type comprenant:
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 9,0% en poids de Mn;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, caractérisé en ce que la teneur de l'acier en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus comme austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) et, parmis 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 métastable ayant une énergie de faute d'empilement suffisamment faible pour qu'elle puisse se transformer sous l'effet de la cavita-tion, en une phase hexagonale compacte .epsilon. et/ou en de la martensite .alpha. montrant un mâclage fin de déformation.
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 9,0% en poids de Mn;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, caractérisé en ce que la teneur de l'acier en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus comme austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) et, parmis 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 métastable ayant une énergie de faute d'empilement suffisamment faible pour qu'elle puisse se transformer sous l'effet de la cavita-tion, en une phase hexagonale compacte .epsilon. et/ou en de la martensite .alpha. montrant un mâclage fin de déformation.
2. Acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, du type comprenant:
de 10 à 30% en poids de Co;
de 13 a 28% en poids de Cr;
de 0,25 à 0.3% en poids de C; et jusqu'à 2% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, caractérisé en ce que la teneur de l'acier en éléments connus comme ferritisants (Cr et Mo), en éléments connus comme austénitisants (C et Co) et, parmis 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 métastable 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 .epsilon. et/ou en de la martensite .alpha. montrant un mâclage fin de déformation.
de 10 à 30% en poids de Co;
de 13 a 28% en poids de Cr;
de 0,25 à 0.3% en poids de C; et jusqu'à 2% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, caractérisé en ce que la teneur de l'acier en éléments connus comme ferritisants (Cr et Mo), en éléments connus comme austénitisants (C et Co) et, parmis 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 métastable 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 .epsilon. et/ou en de la martensite .alpha. montrant un mâclage fin de déformation.
3. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 10% en poids de Co;
environ 18% en poids de Cr; et environ 0,3% en poids de C;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 10% en poids de Co;
environ 18% en poids de Cr; et environ 0,3% en poids de C;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
4. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 15% en poids de Co;
environ 28% en poids de Cr; et environ 0,3% en poids de C;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 15% en poids de Co;
environ 28% en poids de Cr; et environ 0,3% en poids de C;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
5. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 15% en poids de Co;
environ 18% en poids de Cr; et environ 0,3% en poids de C;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 15% en poids de Co;
environ 18% en poids de Cr; et environ 0,3% en poids de C;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
6. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 20% en poids de Co;
environ 13% en poids de Cr; et environ 0,3% en poids de C;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 20% en poids de Co;
environ 13% en poids de Cr; et environ 0,3% en poids de C;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
7. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 20% en poids de Co;
environ 28% en poids de Cr;
environ 0,3% en poids de C; et environ 1% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 20% en poids de Co;
environ 28% en poids de Cr;
environ 0,3% en poids de C; et environ 1% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
8. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 20% en poids de Co;
environ 18% en poids de Cr;
environ 0,3% en poids de C; et environ 1% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 20% en poids de Co;
environ 18% en poids de Cr;
environ 0,3% en poids de C; et environ 1% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
9. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 30% en poids de Co;
environ 25% en poids de Cr;
environ 0,25% en poids de C; et environ 2% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 30% en poids de Co;
environ 25% en poids de Cr;
environ 0,25% en poids de C; et environ 2% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
10. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 30% en poids de Co;
environ 20% en poids de Cr;
environ 0,25% en poids de C; et environ 2% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 30% en poids de Co;
environ 20% en poids de Cr;
environ 0,25% en poids de C; et environ 2% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
11. Acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, du type comprenant:
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;
de 3 à 9 % en poids de Mn;
jusqu'à 0,3% en poids de N;
jusqu'à 3,0% en poids de Si;
jusqu'à 1,0% en poids de Ni; et jusqu'à 2% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, caractérisé en ce que la teneur de l'acier en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus comme austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) et, parmis 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 métastable 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 .epsilon. et/ou en de la marten-site .alpha. montrant un mâclage fin de déformation.
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;
de 3 à 9 % en poids de Mn;
jusqu'à 0,3% en poids de N;
jusqu'à 3,0% en poids de Si;
jusqu'à 1,0% en poids de Ni; et jusqu'à 2% en poids de Mo;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe, caractérisé en ce que la teneur de l'acier en éléments connus comme ferritisants (Cr, Mo, Si), en éléments connus comme austénitisants (C, N, Co, Ni, Mn) et, parmis 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 métastable 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 .epsilon. et/ou en de la marten-site .alpha. montrant un mâclage fin de déformation.
12. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 11, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 12% en poids de Co;
environ 19% en poids de Cr;
environ 0,2% en poids de C;
environ 3% en poids de Mn; et environ 0,05% en poids de N;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 12% en poids de Co;
environ 19% en poids de Cr;
environ 0,2% en poids de C;
environ 3% en poids de Mn; et environ 0,05% en poids de N;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
13. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 11, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 8% en poids de Co;
environ 13% en poids de Cr;
environ 0,1% en poids de C;
environ 9% en poids de Mn;
environ 0,05 % en poids de N; et environ 3% en poids de Si;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 8% en poids de Co;
environ 13% en poids de Cr;
environ 0,1% en poids de C;
environ 9% en poids de Mn;
environ 0,05 % en poids de N; et environ 3% en poids de Si;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
14. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 11, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 12% en poids de Co;
environ 13% en poids de Cr;
environ 0,2% en poids de C;
environ 9% en poids de Mn; et environ 0,05% en poids de N;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 12% en poids de Co;
environ 13% en poids de Cr;
environ 0,2% en poids de C;
environ 9% en poids de Mn; et environ 0,05% en poids de N;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
15. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 11, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 12% en poids de Co;
environ 19% en poids de Cr;
environ 0,2% en poids de C;
environ 9% en poids de Mn; et environ 0,05% en poids de N;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 12% en poids de Co;
environ 19% en poids de Cr;
environ 0,2% en poids de C;
environ 9% en poids de Mn; et environ 0,05% en poids de N;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
16. Acier inoxydable au cobalt selon la revendi-cation 1, caractérisé en ce qu'il comprend:
environ 12% en poids de Co;
environ 19% en poids de Cr;
environ 0,2% en poids de C;
environ 1,0% en poids de Si;
environ 1,0% en poids de Mn; et environ 0,2% en poids de N;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
environ 12% en poids de Co;
environ 19% en poids de Cr;
environ 0,2% en poids de C;
environ 1,0% en poids de Si;
environ 1,0% en poids de Mn; et environ 0,2% en poids de N;
le pourcentage restant étant essentiellement constitué de Fe.
17. Pièce d'acier inoxydable au cobalt pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, caractérisée en ce qu'elle est faite ou recouverte d'un acier inoxydable austénique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, tel que défini dans la revendication 1.
18. Pièce d'acier inoxydable au cobalt pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, caractérisée en ce qu'elle est faite ou recouverte d'un acier inoxydable austénique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, tel que défini dans la revendication 2.
19. Pièce d'acier inoxydable au cobalt pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, caractérisée en ce qu'elle est faite ou recouverte d'un acier inoxydable austénique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, tel que défini dans la revendication 11.
20. Fil de soudage pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, caractérisé en ce qu'il est fait en acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, tel que défini dans la revendication 1.
21. Fil de soudage pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, caractérisé en ce qu'il est fait en acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, tel que défini dans la revendication 2.
22. Fil de soudage pour la fabrication ou la réparation de machines hydrauliques, caractérisé en ce qu'il est fait en acier inoxydable austénitique au cobalt ultra résistant à la cavitation érosive, tel que défini dans la revendication 11.
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Legal Events
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| MKEX | Expiry |