CA2930140A1 - Martensitic stainless steel, part made of said steel and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
WO 2015/07526 WO 2015/07526
2 Acier inoxydable martensitique, pièce réalisée en cet acier et son procédé de fabrication La présente invention concerne les aciers inoxydables à hautes résistance à la traction et ténacité, destinés notamment à la fabrication de pièces de structure aéronautique, notamment pour des trains d'atterrissage.
Des aciers inoxydables martensitique à durcissement structural ont été
développés dans le but de répondre aux besoins liés, en particulier, à cette application.
Traditionnellement, on utilise des aciers non inoxydables de type 40NiSiCrMo7, dit plus usuellement 300M, et contenant, notamment, 0,40% de C, 1,80% de Ni, 0,85% de Cr et 0,40% de Mo. Il s'agit de pourcentages pondéraux, comme le seront toutes les teneurs citées dans le texte. Après des traitements thermiques adéquats, cet acier peut présenter une résistance à la traction Rm de plus de 1930 MPa et une ténacité K1, de plus de 55 MPa.m1/2. Il serait avantageux de pouvoir disposer d'aciers présentant, en plus de ces propriétés mécaniques, des propriétés élevées de résistance à la corrosion.
Dans ce but, différentes nuances ont été développées, mais sans qu'aucune ne donne entière satisfaction.
La nuance décrite dans le document US-A-3 556 776 et pour laquelle typiquement, C 5 0,050%, Si 5 0,6%, Mn 5 0,5%, S 5 0,015%, Cr = 11,5-13,5%, Ni = 7-10%, Mo = 1,75-2,5%, Al = 0,5-1,5%, Ti 5 0,5%, Nb 5 0,75%, N 5 0,050%, présente un niveau de résistance mécanique trop faible, inférieure à 1800 MPa.
La nuance décrite dans le document US-B-7 901 519, pour laquelle, typiquement, C 5 0,020%, Cr = 11-12,5%, Ni = 9-11%, Mo = 1-2,5%, Al = 0,7-1,5%, Ti = 0,15-0,5%, Cu = 0,5-2,5%, W = 0,5-1,5%, B 5 0,0010%, a, elle aussi, une Rm insuffisante.
La nuance décrite dans le document US-A-5 855 844, pour laquelle, typiquement, C 5 0,030%, Si 5 0,75%, Mn 5 1%, S 5 0,020%, P 5 0,040%, Cr = 10-13%, Ni =
10,5-11,6%, Mo = 0,25-1,5%, Al 5 0,25%, Ti = 1,5-1,8%, Cu 5 0,95%, Nb 5 0,3%, N 5 0,030%, B 5 0,010% a, elle aussi, une Rm insuffisante.
La nuance décrite dans le document US-A-2003/0049153, pour laquelle, typiquement, C 5 0,030%, Si 5 0,5%, Mn 5 0,5%, S 5 0, 0025%, P 5 0, 0040%, Cr = 9-13%, Ni = 7-9%, Mo = 3-6%, Al = 1-1,5%, Ti 5 1%, Co = 5-11%, Cu 50,75%, Nb 5 1%, N
5 0, 030%, 0 5 0, 020%, B 5 0, 0100%, pourrait présenter les niveaux de propriétés mécaniques souhaités, mais aurait une résistance à la corrosion insuffisante.
Elle pourrait aussi ne pas être suffisamment apte à être mise sous forme de pièces massives, car elle a été mise au point pour la fabrication de produits minces. Lors des traitements thermiques, elle doit subir une mise en solution à une température généralement élevée, de 930 à 980 C.
Le document WO-A-2012/002208 décrit un acier de composition typique C 5 0,200%, Si 5 0,1%, Mn 5 0,1%, S 5 0,008%, P 5 0,030%, Cr = 9,5-14%, Ni = 7-14%, Mo =
0,5-3%, Al = 0,25-1%, Ti = 0,75-2,5%, Co 5 3,5%, Cu 5 0,1%, N 5 0,010%, 0 5 0,005%, présenterait de bonnes propriétés mécaniques pour ce qui est des principales d'entre elles qui ont été citées. Mais sa ductilité serait insuffisante si on y ajoutait plus de 1% d'Al.
La mise en solution est toujours effectuée à une température très élevée, de 940 à
1050 C, pendant 1/2h à 3h, de façon à être suffisamment complète sans entraîner un grossissement du grain excessif.
Le document EP-A-1 896 624 décrit un acier de composition typique C 5 0,025%, Si 5 0,25%, Mn 5 3%, S 5 0,005%, P 5 0,020%, Cr = 9-13%, Ni = 8-14%, Mo = 1,5-2 Martensitic stainless steel, part made of this steel and its method of manufacturing The present invention relates to stainless steels with high resistance to traction and toughness, intended in particular for the manufacture of structure aeronautics, in particular for landing gear.
Structurally hardened martensitic stainless steels have been developed in order to meet the needs related, in particular, to this application.
Traditionally, non-stainless steels of the type 40NiSiCrMo7 have been used, says more usually 300M, and containing, in particular, 0.40% of C, 1.80% of Ni, 0.85% of Cr and 0.40% Mo. These are weight percentages, as will all contents cited in the text. After adequate heat treatments, this steel can present a tensile strength Rm of over 1930 MPa and a toughness K1 of more than 55 MPa.m1 / 2. It would be advantageous to have available steel with more of these mechanical properties, high properties of corrosion resistance.
For this reason, different shades have been developed, but none of them gives satisfaction.
The shade described in US-A-3,556,776 and for which typically, C 5 0.050%, Si 0.6%, Mn 0.5%, S 5 0.015%, Cr = 11.5-13.5%, Ni = 7-10%, Mo = 1.75 2.5%, Al = 0.5-1.5%, Ti 0.5%, Nb 0.75%, N 5 0.050%, has a level of mechanical strength too low, less than 1800 MPa.
The shade described in US-B-7 901 519, for which, typically, C 5 0.020%, Cr = 11-12.5%, Ni = 9-11%, Mo = 1-2.5%, Al = 0.7-1.5%, Ti = 0.15-0.5%, Cu = 0.5-2.5%, W = 0.5-1.5%, B 0.0010%, also has insufficient Rm.
The shade described in US-A-5 855 844, for which, typically, C 5 0.030%, Si 0.75%, Mn 1%, S 5 0.020%, P 5 0.040%, Cr = 10-13%, Ni =
10,5-11.6%, Mo = 0.25-1.5%, Al 5 0.25%, Ti = 1.5-1.8%, Cu 0.95%, Nb 5 0.3%, N 5 0.030%
B, 0.010% also has insufficient Rm.
The shade described in the document US-A-2003/0049153, for which, typically, C 5 0.030%, Si 0.5%, Mn 0.5%, S 0.500%, P 0.500%, Cr = 9-13%, Ni = 7-9%, Mo = 3-6%, Al = 1-1.5%, Ti 1%, Co = 5-11%, Cu 50.75%, Nb 5 1%, N
0, 030%, 0 0, 020%, B 5 0, 0100%, could present the levels of properties desired mechanical properties, but would have insufficient corrosion resistance.
She could also not be sufficiently fit to be put in the form of massive pieces, because she has been developed for the manufacture of thin products. During the treatments thermal, it must be dissolved at a temperature generally high, from 930 to 980 C.
WO-A-2012/002208 discloses a steel of typical composition C 5 0.200%, Si 0.1%, Mn 0.1%, S 0.008%, P 0.030%, Cr = 9.5-14%, Ni = 7-14%, Mo =
0.5-3%, Al = 0.25-1%, Ti = 0.75-2.5%, Co 3.5%, Cu 0.1%, N 5 0.010%, O 5 0.005%
have good mechanical properties with regard to the main of they have been cited. But its ductility would be insufficient if there added more than 1% of Al.
The dissolution is always carried out at a very high temperature, 940 to 1050 C, for 1 / 2h to 3h, so as to be sufficiently complete without lead a excessive grain growth.
EP-A-1 896 624 discloses a steel of typical composition C 5 0.025%, If 0.25%, Mn 3%, S 0.005%, P 0.020%, Cr = 9-13%, Ni = 8-14%, Mo = 1.5-
3%, Al = 1-2%, Ti = 0,5-1,5%, Co 5 2%, Cu 5 0,5%, W 5 1%, N 5 0,006%, 0 5 0,005%. Il a l'avantage de contenir peu ou pas de Co qui est un élément coûteux, et de tolérer des mises en solution à des températures pas très élevées (850-950 C), donc avec une moindre dépense d'énergie et un moindre risque de grossissement du grain. Mais son compromis résistance à la traction-ténacité n'est pas aussi favorable que ce qui serait souhaitable.
Le but de l'invention est de proposer un acier inoxydable martensitique à
durcissement structural présentant simultanément des propriétés de résistance à la traction Rm et de ténacité K1, élevées, une résistance à la corrosion élevée et une excellente aptitude à la mise sous forme de pièces massives.
A cet effet, l'invention a pour objet un acier inoxydable martensitique, caractérisé
en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux :
- traces 5 C 5 0,030%, de préférence 5 0,010%;
- traces 5 Si 5 0,25%, de préférence 5 0,10%;
- traces 5 Mn 5 0,25%, de préférence 5 0,10%;
- traces 5 S 5 0,020%, de préférence 5 0,005%;
- traces 5 P 5 0,040%, de préférence 5 0,020%;
- 8% 5 Ni 5 14%, de préférence 11,3% 5 Ni 5 12,5%;
- 8% 5 Cr 5 14%, de préférence 8.5% 5 Cr 5 10%;
- 1,5% 5 Mo +W/2 53,0%, de préférence 1,5 5 Mo +W/2 5 2,5 /0 ;
- 1,0% 5 Al 5 2,0%, de préférence 1,0% 5 Al 5 1,5%;
- 0,5% 5 Ti 5 2,0%, de préférence 1,10% 5 Ti 5 1,55%;
- 2% 5 Co 5 9%, de préférence 2,5% 5 Co 5 6,5% ; mieux entre 2,50 et 3,50%;
- traces 5 N 5 0,030%, de préférence 5 0,0060%;
- traces 5 0 5 0,020%, de préférence 5 0,0050%;
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ;
et en ce que sa température de début de transformation martensitique Ms calculée par la formule (1) Ms ( C) = 1302 - 28Si - 50Mn - 63Ni - 42Cr - 30Mo + 20AI - 12Co - 25Cu +
10[Ti - 4(C+N)]
dans laquelle les teneurs des différents éléments sont exprimées en pourcentages pondéraux, est supérieure ou égale à 50 C, de préférence supérieure ou égale à
75 C.
De préférence, 1.05% 5 Al 5 2,0%, et de préférence 1,05% 5 Al 5 1,5%.
La proportion de ferrite delta dans sa microstructure est de préférence inférieure ou égale à1%.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en acier inoxydable martensitique, caractérisé en ce que :
- on prépare un demi-produit en acier ayant la composition précitée par l'un des procédés suivants :
* on prépare un acier liquide ayant la composition précitée, et à partir de cet acier liquide, on coule et on solidifie un lingot et on le transforme en un demi-produit par au moins une transformation à chaud ;
* on prépare par métallurgie des poudres un demi-produit fritté en un acier ayant la composition précitée ;
- on réalise une mise en solution complète du demi-produit dans le domaine austénitique, à une température comprise entre 800 et 940 C;
- on réalise une trempe du demi-produit jusqu'à une température finale de trempe inférieure ou égale à -60 C, de préférence inférieure ou égale à -75 C;
- on réalise un vieillissement entre 450 et 600 C pendant 4 à 32 h.
Entre la solidification du lingot coulé et solidifié et la mise en solution du demi-produit, on peut réaliser une homogénéisation du lingot ou du demi-produit à
1300 C pendant au moins 24h.
Entre la trempe et le vieillissement, on peut réaliser une transformation à
froid du demi-produit.
La trempe peut être réalisée en deux étapes, dans deux milieux de trempe différents.
La première étape de trempe est effectuée dans l'eau. 3%, Al = 1-2%, Ti = 0.5-1.5%, Co 2%, Cu 0.5%, W 1%, N 5 0.006%, 0.005%. he at the advantage of containing little or no Co which is an expensive element, and tolerate put in solution at temperatures not very high (850-950 C), so with a less energy expenditure and lower risk of grain growth. But his compromise toughness-toughness is not as favorable as this who would desirable.
The object of the invention is to propose a martensitic stainless steel structural hardening simultaneously exhibiting resistance properties to the Rm tensile and K1 toughness, high, high corrosion resistance and an excellent ability to form massive pieces.
For this purpose, the subject of the invention is a martensitic stainless steel, characterized in that its composition is, in percentages by weight:
traces C 5 0.030%, preferably 0.010%;
traces 5 Si 5 0.25%, preferably 0.10%;
traces 5 Mn 5 0.25%, preferably 0.10%;
traces 5 S 0.020%, preferably 0.005%;
trace amounts 0.040%, preferably 0.020%;
8% or 14%, preferably 11.3% or 12.5%;
- 8% 5 Cr 5 14%, preferably 8.5% 5 Cr 5 10%;
1.5% Mo + W / 2 53.0%, preferably 1.5 Mo + W / 2.5 / 0;
1.0% Al 2 2.0%, preferably 1.0% Al 1.5%;
0.5% Ti 2.0%, preferably 1.10% Ti 1.55%;
- 2% Co 5 9%, preferably 2.5% Co 5 6.5%; better between 2.50 and 3.50%;
traces 5 N 5 0.030%, preferably 0.0060%;
traces 0.020%, preferably 0.0050%;
the rest being iron and impurities resulting from the elaboration;
and in that its martensitic transformation start temperature Ms calculated by the formula (1) Ms (C) = 1302 - 28Si - 50Mn - 63Ni - 42Cr - 30Mo + 20AI - 12Co - 25Cu +
10 [Ti - 4 (C + N)]
in which the contents of the different elements are expressed in percentages weight, is greater than or equal to 50 C, preferably greater than or equal to 75 C.
Preferably 1.05% Al 2.0%, and preferably 1.05% Al 1.5%.
The proportion of delta ferrite in its microstructure is preferably lower or equal to 1%.
The subject of the invention is also a process for manufacturing a part made of steel martensitic stainless, characterized in that:
a steel semi-finished product having the aforementioned composition is prepared by one of of the following processes:
a liquid steel having the above-mentioned composition is prepared, and from this liquid steel, one sinks and solidifies an ingot and transforms it into a half-produced by at least one hot transformation;
* metallurgically prepared powders a sintered half-product made of a steel having the aforesaid composition;
a complete solution of the semi-product in the field is carried out austenitic at a temperature between 800 and 940 C;
the quenching of the semi-finished product is carried out to a final temperature of temper less than or equal to -60 C, preferably less than or equal to -75 C;
aging is carried out between 450 and 600 ° C. for 4 to 32 hours.
Between the solidification of the cast and solid ingot and the dissolution of the half-product, homogenization of the ingot or semi-finished product can be achieved.
1300 C for at least 24 hours.
Between quenching and aging, a transformation can be achieved cold semi-finished product.
The quenching can be carried out in two stages, in two quenching media different.
The first quenching step is carried out in water.
4 On peut préparer l'acier liquide par un double traitement par fusion sous vide, le deuxième traitement sous vide étant un traitement de refusion ESR ou VAR.
L'invention a également pour objet une pièce en acier inoxydable martensitique, caractérisé en ce qu'elle a été préparée par le procédé précédent.
Il peut s'agir d'une pièce de structure aéronautique.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à proposer une nuance d'acier inoxydable martensitique qui, après avoir subi des traitements thermomécaniques adéquats qui, combinés à ladite nuance, sont aussi un élément de l'invention, présente à
la fois des propriétés de résistance à la traction, de ténacité et de ductilité qui la rendent adaptée à son usage pour la fabrication de pièces massives tels que des trains d'atterrissage, ainsi qu'une excellente résistance à la corrosion par rapport aux nuances déjà utilisées à cet effet.
Les aciers de l'invention ont une structure martensitique qui est obtenue :
- par une mise en solution complète dans le domaine austénitique, donc réalisée au-delà de la température Ac3 de l'acier concerné ; pour la nuance considérée, cette température de mise en solution est de de 800 à 940 C ; la mise en solution est réalisée pendant une durée de 30 min à 3h ; une température de l'ordre de 850 C
combinée à une durée de l'ordre de 1 h 30 min sont généralement adéquates pour, à la fois, obtenir une mise en solution complète et un grossissement du grain modéré ; un grain trop grossier serait néfaste aux propriétés de résilience, corrosion sous contrainte et ductilité ;
- puis une trempe, réalisée de préférence à partir d'une température proche de la température de mise en solution, ladite trempe étant prolongée jusqu'à une température cryogénique, à savoir -60 C ou plus bas, de préférence jusqu'à -75 C ou plus bas, typiquement jusqu'à -80 C.
La durée de maintien dans le milieu cryogénique doit être suffisante pour que le refroidissement à la température choisie et les transformations recherchées affectent la pièce d'acier dans tout son volume. Cette durée dépend donc fortement de la masse et des dimensions de la pièce traitée, et est, bien entendu, d'autant plus élevée que, par exemple, la pièce traitée est épaisse. Différents milieux de trempe peuvent être utilisés :
air, eau, huile, gaz, polymère, azote liquide, neige carbonique (liste non limitative), et la trempe n'est pas forcément réalisée avec une vitesse de refroidissement très élevée.
On peut envisager d'utiliser successivement deux milieux de trempe différents, le premier milieu amenant l'acier par exemple à une température intermédiaire, et le deuxième milieu amenant ensuite l'acier à -60 C ou plus bas. Pour les pièces les plus massives, l'eau est un premier milieu de trempe privilégié car il permet d'assurer que le coeur de la pièce est refroidi suffisamment rapidement. La température de début de trempe est, de préférence, la température à laquelle a eu lieu la mise en solution, pour garantir qu'entre la mise en solution et la trempe il ne se produise pas de transformations métallurgiques difficiles à contrôler et qui pourraient défavorablement affecter les 4 The liquid steel can be prepared by a double melting treatment under empty, the second vacuum treatment being an ESR or VAR remelting treatment.
The invention also relates to a stainless steel part martensitic characterized in that it has been prepared by the above method.
It can be a piece of aeronautical structure.
As will be understood, the invention consists in proposing a steel grade martensitic stainless which after undergoing treatments thermomechanical which, in combination with said grade, are also part of the invention, introduced to both properties of tensile strength, toughness and ductility that make it adapted to its use for the manufacture of massive parts such as trains landing, as well as excellent corrosion resistance over in shades already used for this purpose.
The steels of the invention have a martensitic structure which is obtained:
- by a complete solution in the austenitic domain, so conducted above the Ac3 temperature of the steel concerned; for the shade considered, this solution temperature is from 800 to 940 C; the solution is realized for a period of 30 minutes to 3 hours; a temperature of the order of 850 C
combined with duration of the order of 1 h 30 min are generally adequate for both get a complete dissolution and moderate grain growth; a grain too much coarse would be detrimental to the properties of resilience, stress corrosion and ductility;
- then quenching, preferably carried out from a temperature close to the solution temperature, said quenching being extended to a temperature cryogenic, ie -60 C or lower, preferably up to -75 C or higher low, typically up to -80 C.
The duration of maintenance in the cryogenic medium must be sufficient for the cooling to the chosen temperature and the desired transformations affect the piece of steel in all its volume. This duration therefore depends strongly on the mass and dimensions of the treated part, and is, of course, all the higher by for example, the treated part is thick. Different quenching media can to be used:
air, water, oil, gas, polymer, liquid nitrogen, dry ice (no limiting), and the quenching is not necessarily performed with a very fast cooling rate high.
It is possible to use successively two different quenching media, the first medium bringing the steel for example to an intermediate temperature, and the second medium then bringing the steel to -60 C or lower. For parts most massive, water is a prime tempering medium because it allows to ensure that the the heart of the room is cooled quickly enough. The temperature of beginning of quenching is preferably the temperature at which the setting took place solution, for to guarantee that between the dissolution and quenching it does not occur transformations difficult to control metallurgical affect the
5 propriétés mécaniques finales du produit Si la trempe est interrompue pendant une certaine durée en-dessous de Ms et au-dessus de la température Mf de fin de transformation martensitique, l'interruption doit être courte pour éviter de risquer de bloquer la transformation lorsque la trempe sera reprise.
Une autre possibilité serait d'interrompre la trempe au-dessus de Ms et de la reprendre ensuite jusqu'à la température cryogénique.
Un avantage possible de telles interruptions est qu'elles permettent d'éviter de devoir utiliser immédiatement un milieu de trempe cryogénique, donc d'éviter d'avoir une vitesse de refroidissement d'emblée très élevée qui risquerait de conduire à
l'apparition de tapures (fissurations superficielles), ou de fissures à l'intérieur du demi-produit qui pourraient être dues à des phénomènes de transformation martensitique différentielle entre la surface et le coeur encore chaud du demi-produit si celui-ci est relativement épais.
Mais dans la pratique il est préférable de réaliser la trempe en une seule étape, pour plus de commodités et pour ne pas risquer d'effets métallurgiques indésirables sur la microstructure de l'acier, car une trempe en deux étapes est souvent difficile à maîtriser quant à la température finale de la première étape et à l'homogénéité de ses effets dans la pièce traitée.
Le passage à la température cryogénique peut se faire dans un milieu solide, gazeux ou liquide en fonction de la technologie de traitement disponible. Afin d'obtenir une structure entièrement martensitique le début de la transformation martensitique au refroidissement, Ms, doit être maitrisé. Ce point Ms dépend de la composition de l'alliage et est calculé suivant l'Équation (1) :
(1) Ms ( C) = 1302- 285i - 50Mn - 63Ni - 42Cr - 30Mo + 20AI - 12Co - 25Cu +
10[Ti - 4(C+N)]
dans laquelle les teneurs des différents éléments sont exprimées en pourcentages pondéraux.
Dans le cadre de l'invention, Ms est nécessairement supérieure ou égale à 50 C
et préférentiellement supérieure ou égale à 75 C. Si cette condition n'est pas remplie, l'acier présente de l'austénite résiduelle de trempe qui est préjudiciable aux propriétés mécaniques, en particulier à la résistance à la rupture. 5 final mechanical properties of the product If quenching is interrupted for a period of time below Ms and above above the end of martensitic transformation temperature Mf, the interruption must be short to avoid the risk of blocking the transformation when tempering will be resumed.
Another possibility would be to interrupt the quenching above Ms and the then resume until the cryogenic temperature.
One possible advantage of such interruptions is that they prevent of must immediately use a cryogenic quenching medium, so avoid to have a very high initial cooling rate which could lead to the appearance of cracking (superficial cracking), or cracks inside the half product that could be due to martensitic transformation phenomena differential between the surface and the still warm heart of the half-product if it is relatively thick.
But in practice it is better to do the quenching in one step, for more of convenience and not to risk undesirable metallurgical effects on the microstructure of the steel, because a quenching in two steps is often difficult to master the final temperature of the first stage and the homogeneity of its effects in the treated room.
The transition to cryogenic temperature can be done in a solid medium, gaseous or liquid depending on the available treatment technology. To get a completely martensitic structure the beginning of the transformation martensitic at cooling, Ms, must be mastered. This Ms point depends on the composition of the alloy and is calculated according to Equation (1):
(1) Ms (C) = 1302-285i - 50Mn - 63Ni - 42Cr - 30Mo + 20AI - 12Co - 25Cu +
10 [Ti - 4 (C + N)]
in which the contents of the different elements are expressed in percentages weight.
In the context of the invention, Ms is necessarily greater than or equal to 50 C
and preferably greater than or equal to 75 C. If this condition is not met, the steel has residual quenching austenite which is detrimental to properties mechanical properties, in particular the breaking strength.
6 Après la mise en solution et la trempe prolongée jusqu'à la température cryogénique visée, les propriétés mécaniques finales sont obtenues à l'issue d'un vieillissement entre 450 et 600 C d'une durée de 4 à 32 heures. Le durcissement obtenu est assuré par la formation de précipités intermétalliques type NiAl et Ni3Ti de taille nanométrique. Au cours du vieillissement, de l'austénite de réversion peut se former et contribuer à la ténacité de l'acier. Ce vieillissement peut, éventuellement, être interrompu à l'aide d'une trempe à l'eau pour améliorer la ténacité.
La structure finale, pour les applications envisagées de façon privilégiée, notamment dans l'aéronautique, doit être exempte de ferrite delta qui dégrade les propriétés mécaniques. Un maximum de 1% de ferrite delta est tolérable. La composition de l'acier selon l'invention est choisie, justement, pour éviter autant que possible que de la ferrite delta subsiste à la fin des traitements exécutés lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. De ce point de vue, il est très préférable, pour assurer cette absence de subsistance de ferrite delta, que le rapport Cr eq / Ni eq de l'acier, c'est-à-dire le rapport entre la somme pondérée des teneurs des principaux éléments alphagènes comme Cr (chrome équivalent) et la somme pondérée des teneurs des principaux éléments gammagènes comme Ni (nickel équivalent), soit inférieur ou égal à
1,05, avec :
Cr eq = Cr + 2 Si + Mo + 1,5 Ti + 5,5 Al + 0,6 W
Ni eq = 2 Ni + 0,5 Mn + 30 C + 25 N + Co + 0,3 Cu La solidification des nuances de l'invention doit être contrôlée pour limiter la ségrégation des lingots qui peut être préjudiciable aux propriétés mécaniques, notamment lorsque la sollicitation mécanique se fait en sens travers, et les teneurs en inclusions d'oxydes et de nitrures doivent être minimisées autant que possible. A cet effet, un mode privilégié de préparation des aciers selon l'invention est une double élaboration par fusion sous vide avec fusion par induction (Vacuum Induction Melting, VIM) puis coulée de l'acier en lingot pour l'obtention d'une électrode, qui est ensuite traitée par refusion à l'arc sous vide (Vacuum Arc Remelting, VAR) ou par refusion sous un laitier électroconducteur (Electroslag Remelting, ESR). Les élaborations sous vide permettent d'éviter les oxydations de Al et Ti par l'air, donc la formation excessive d'inclusions oxydées, et permettent aussi d'éliminer une partie de l'azote et de l'oxygène dissous. On peut ainsi obtenir des durées de vie en fatigue élevées.
Après l'obtention du lingot solidifié, on réalise les transformations à chaud (laminage, forgeage, matriçage ...) qui le mettent sous forme d'un demi-produit (barre, plat, bloc, pièce forgée ou matricée...) pour lui donner des dimensions au moins proches de ses dimensions définitives. Ces transformations à chaud sont tout simplement celles 6 After dissolving and tempering extended to temperature cryogenic target, the final mechanical properties are obtained at the end a aging between 450 and 600 C lasting from 4 to 32 hours. The hardening obtained is ensured by the formation of NiAl and Ni3Ti intermetallic precipitates size nanoscale. During aging, reversion austenite can occur train and contribute to the toughness of steel. This aging can, possibly, to be interrupted using a water quench to improve toughness.
The final structure, for applications envisaged in a privileged way, especially in aeronautics, must be free of delta ferrite which degrades the mechanical properties. A maximum of 1% delta ferrite is tolerable. The composition steel according to the invention is chosen, precisely, to avoid as much as possible that delta ferrite subsists at the end of the treatments performed at the time of work of process according to the invention. From this point of view, it is very preferable, for ensure this lack of delta ferrite subsistence, as the Cr eq / Ni eq ratio of steel, that is to say the ratio of the weighted sum of the contents of the main elements alphagenic as Cr (chromium equivalent) and the weighted sum of the grades of the principal gammagens such as Ni (nickel equivalent), less than or equal to 1.05, with:
Cr eq = Cr + 2 Si + Mo + 1.5 Ti + 5.5 Al + 0.6 W
Ni eq = 2 Ni + 0.5 Mn + 30 C + 25 N + Co + 0.3 Cu The solidification of the shades of the invention must be controlled to limit the segregation of the ingots which can be detrimental to the mechanical properties, especially when the mechanical stress is in the cross direction, and the contents in inclusions Oxides and nitrides should be minimized as much as possible. In this effect, a mode preferred preparation of steels according to the invention is a double fusion elaboration Vacuum Induction Melting (VIM) then casting of ingot steel to obtain an electrode, which is then treated by arc reflow under vacuum (Vacuum Arc Remelting, VAR) or by remelting under a slag electrically (Electroslag Remelting, ESR). Vacuum processing makes it possible to avoid the oxidation of Al and Ti by the air, therefore excessive formation of inclusions oxidized, and also allow some of the nitrogen and dissolved oxygen to be removed. We can obtain high fatigue life times.
After obtaining the solidified ingot, the hot transformations are carried out (rolling, forging, stamping ...) which put it in the form of a half product (bar, flat, block, forged or stamped piece ...) to give it dimensions less close of its final dimensions. These hot transformations are everything simply those
7 qui sont habituelles pour les demi-produits visés de compositions générales comparables à celles de l'invention, aussi bien pour ce qui est des déformations que des températures de traitement.
De préférence, on réalise aussi un traitement d'homogénéisation du lingot ou du demi-produit à une température de 1200 à 1300 C pendant au moins 24 h pour limiter la ségrégation des différents éléments présents et assurer ainsi plus aisément l'obtention des propriétés mécaniques visées. Cependant, l'homogénéisation n'a, généralement, de préférence, pas lieu lors des dernières opérations de mise en forme à chaud ou après celles-ci, afin de conserver plus assurément une taille de grains acceptable sur les produits, en fonction de leur utilisation future.
Le demi-produit subit ensuite, selon l'invention, un traitement thermique consistant en:
- Une mise en solution entre 800 et 940 C pratiquée, comme il est classique, pendant une durée suffisante pour dissoudre les précipités présents dans l'intégralité du demi-produit et qui dépend donc étroitement des dimensions dudit demi-produit, suivie d'une trempe jusqu'à une température de -60 C ou inférieure, de préférence -75 C ou inférieure, ladite trempe débutant, de préférence, à une température proche de la température de mise en solution, et pouvant être réalisée en deux étapes séparées par un séjour à une température intermédiaire (par exemple l'ambiante, ou une température comprise entre le début et la fin de transformation martensitique, ou une température supérieure à la température de début de la transformation martensitique) ;
- Puis, éventuellement, une mise en forme à froid du demi-produit ;
- Puis un vieillissement entre 450 et 600 C pendant 4 à 32 heures permettant d'équilibrer les propriétés de résistance, ténacité et ductilité selon les critères suivants :
= La résistance maximale atteinte diminue lorsque la température de vieillissement croît, mais réciproquement la ductilité et la ténacité
croissent ;
= La durée de vieillissement nécessaire pour provoquer un durcissement donné augmente lorsque la température du vieillissement diminue ;
= A chaque niveau de température, la résistance passe par un maximum pour une durée déterminée, qui est appelé pic de durcissement ; 7 which are usual for the semi-finished products of general compositions comparable those of the invention, both with regard to deformations and temperatures treatment.
Preferably, a homogenization treatment of the ingot or of half-product at a temperature of 1200 to 1300 C for at least 24 hours for limit the segregation of the various elements present and thus more easily obtaining targeted mechanical properties. However, homogenization does not generally, preferably, not during the last hot shaping operations or after these, in order to keep more certainly an acceptable grain size on the products, according to their future use.
The half-product then undergoes, according to the invention, a heat treatment consisting in:
- A dissolution between 800 and 940 C practiced, as it is classic, for a time sufficient to dissolve the precipitates present in the entire semi-finished product and therefore closely depends on the dimensions of said half-product, followed by quenching to a temperature of -60 ° C or lower, preferably -75 ° C or lower, said starting quench, of preferably at a temperature close to the dissolution temperature, and can be carried out in two stages separated by a stay at a intermediate temperature (eg ambient, or a temperature between the beginning and the end of martensitic transformation, or a temperature above the start temperature of the transformation martensitic);
- Then, possibly, cold forming of the semi-finished product ;
- Then aging between 450 and 600 C for 4 to 32 hours allowing to balance the properties of strength, toughness and ductility according to the criteria following:
= The maximum resistance reached decreases when the temperature of Aging is growing, but vice versa ductility and toughness grow;
= The aging time required to cause hardening given increases when the aging temperature decreases;
= At each temperature level, the resistance goes through a maximum for a definite period, which is called hardening peak;
8 = Pour chaque niveau de résistance visé, qui peut être atteint par plusieurs couples de variables temps-température de vieillissement, il existe un seul tel couple qui confère le meilleur compromis résistance/ductilité à l'acier ;
ces conditions optimales correspondent à un début de survieillissement de la structure, et sont obtenues lorsqu'on va au-delà du pic de durcissement ;
l'homme du métier peut déterminer expérimentalement quel est le couple optimal à l'aide de réflexions et d'essais de routine.
Les éléments d'alliage de l'acier selon l'invention sont présents dans les quantités indiquées pour les raisons qui vont être exposées. Comme on l'a dit, les pourcentages sont des pourcentages pondéraux.
La teneur en C est d'au plus 0,030% (300 ppm), de préférence au plus 0,010%
(100 ppm). Dans la pratique il n'est généralement présent qu'à l'état d'élément résiduel résultant de la fusion des matières premières et de l'élaboration, sans qu'un ajout volontaire soit effectué. Il pourrait former des carbures de Cr de type M23C6 et pénaliser ainsi la résistance à la corrosion en captant du Cr qui n'est ainsi plus disponible pour assurer le caractère inoxydable de l'acier de façon satisfaisante. Il pourrait aussi s'associer au Ti pour former des carbures et carbonitrures néfastes pour la tenue en fatigue, et la consommation de Ti sous ces formes diminuerait la quantité
d'intermétalliques durcissants formée.
La teneur en Si est d'au plus 0,25%, de préférence au plus 0,10% pour mieux assurer le bon compromis entre Rm et K1C recherché. Typiquement il n'est qu'un élément résiduel non ajouté volontairement. Il tend à abaisser Ms (voir l'équation (1)) et à
fragiliser l'acier, d'où son caractère non souhaitable en quantités plus importantes que ce qui a été dit.
La teneur en Mn est d'au plus 0,25%, de préférence au plus 0,10%. Typiquement il n'est qu'un élément résiduel non ajouté volontairement. Il tend à abaisser Ms (voir l'équation (1)). Il pourrait éventuellement être utilisé en substitution partielle du Ni pour éviter la présence de ferrite delta et contribuer à la présence d'austénite de réversion lors du vieillissement de durcissement. Mais la facilité avec laquelle il s'évapore lors des traitements sous vide le rend difficile à maîtriser et conduit à un encrassement des dispositifs de dépoussiérage des fumées des fours. On ne préconise donc pas une présence significative de Mn dans les aciers de l'invention.
La teneur en S est d'au plus 0,020% (200 ppm), de préférence au plus 0,005%
(50 ppm), pour mieux assurer le bon compromis entre Rm et K1C recherché. Là
encore il est présent à l'état de résiduel et, si nécessaire, sa teneur doit être contrôlée par un choix 8 = For each target level of resistance, which can be achieved by many couples of time-temperature aging variables, there is only one such a combination that gives the best resistance / ductility compromise to steel;
these optimal conditions correspond to an onset of overgrowth of the structure, and are obtained when going beyond the peak of hardening;
the skilled person can determine experimentally what is the couple optimal with the help of reflections and routine tests.
The alloying elements of the steel according to the invention are present in the quantities indicated for the reasons that will be exposed. As we said, the percentages are percentages by weight.
The C content is at most 0.030% (300 ppm), preferably at most 0.010%
(100 ppm). In practice it is generally only present in the state of residual element resulting from the merging of raw materials and the elaboration, without any adding voluntary action. It could form Cr carbides of type M23C6 and penalize thus the resistance to corrosion by capturing Cr which is thus no longer available for to ensure the stainless character of the steel satisfactorily. He could as well associate with Ti to form carbides and carbonitrides harmful to the held in fatigue, and the consumption of Ti in these forms would decrease the amount of hardening intermetallic formed.
The Si content is at most 0.25%, preferably at most 0.10% for better ensure the right compromise between Rm and K1C sought. Typically he is only one residual element not added voluntarily. It tends to lower Ms (see equation (1)) and weaken steel, hence its undesirable nature in more important that this which has been said.
The Mn content is at most 0.25%, preferably at most 0.10%. Typically it is only a residual element not added voluntarily. It tends to lower Ms (see equation (1)). It could possibly be used in substitution partial Ni for avoid the presence of delta ferrite and contribute to the presence of austenite reversion when aging curing. But the ease with which he evaporates during the vacuum treatments makes it difficult to control and leads to a fouling dust extraction devices for furnace fumes. We do not advocate a significant presence of Mn in the steels of the invention.
The content of S is at most 0.020% (200 ppm), preferably at most 0.005%
(50 ppm), to better ensure the right compromise between Rm and K1C sought. The still he is present in the residual state and, if necessary, its content must be controlled by a choice
9 soigneux des matières premières et/ou un traitement métallurgique de désulfuration lors de l'étape de fusion et de réglage de la composition de l'acier. Il réduit la ténacité par ségrégation aux joints de grains, et forme des sulfures dommageables pour les propriétés mécaniques.
La teneur en P est d'au plus 0,040% (400 ppm), de préférence au plus 0,020%
(200 ppm) pour mieux assurer le bon compromis entre Rm et K1C recherché. Il s'agit là
encore d'un élément résiduel qui tend à ségréger aux joints de grains et, donc, diminue la ténacité.
La teneur en Ni est comprise entre 8 et 14%, de préférence entre 11,3 et 12,5%.
C'est un élément gammagène, et il doit être à un niveau suffisamment élevé
pour éviter la stabilisation de la ferrite delta lors des opérations de mise en solution et d'homogénéisation. Mais il doit aussi être maintenu à un niveau suffisamment bas pour assurer une complète transformation martensitique lors de la trempe puisqu'il a fortement tendance à abaisser Ms selon l'équation (1). D'autre part, il participe au durcissement de l'acier lors du vieillissement par précipitation des phases durcissantes NiAl et Ni3Ti qui donnent aux aciers de l'invention leur niveau de résistance mécanique. Il a aussi pour fonction de former de l'austénite de réversion lors du vieillissement, qui précipite finement entre les lattes de martensite et procure leur ductilité et leur ténacité aux aciers de l'invention.
La teneur en Cr est comprise entre 8 et 14%, de préférence entre 8.5 et 10%.
Il est l'élément principal qui procure la résistance à la corrosion, ce qui justifie la limite inférieure de 8%. Mais on doit limiter sa teneur à 14% pour qu'il ne contribue pas à la stabilisation de la ferrite delta et qu'il ne fasse pas passer Ms, calculée selon l'équation (1), au-dessous de 50 C.
La teneur en Mo + W/2 est comprise entre 1,5 et 3,0%, de préférence entre 1,5 et 2,5%. Mo participe à la résistance à la corrosion et est susceptible de former une phase durcissante Fe7Mo6. Cependant, l'ajout d'une quantité excessive de Mo peut conduire à la formation d'une phase ji. Fe6Mo7 et diminuer ainsi la quantité de Mo disponible pour limiter la corrosion. Eventuellement, on peut remplacer au moins une partie du Mo par du W. Il est bien connu que dans les aciers, ces deux éléments sont fonctionnellement souvent comparables, et que, à pourcentage massique égal, W est deux fois plus efficace que Mo.
La teneur en Al est comprise entre 1,0 et 2,0%, de préférence entre 1,05 et 2,0%, mieux entre 1,0 et 1,5%, optimalement entre 1,05 et 1,5%. Lors du vieillissement, il forme la phase durcissante NiAl. L'AI a, habituellement, la réputation de dégrader la ductilité, mais cet inconvénient est annulé par la possibilité offerte par l'invention de réaliser la mise en solution à des températures relativement basses.
La teneur en Ti est comprise entre 0,5 et 2,0%, de préférence entre 1,10 et 1,55%. Lui aussi participe au durcissement lors du vieillissement en formant la phase Ni3Ti. Il permet aussi de fixer C et N sous forme de carbures et carbonitrures de Ti et d'éviter ainsi les effets néfastes du C. Toutefois, comme on l'a dit, ces carbures et carbonitrures sont néfastes à la tenue en fatigue, et on ne peut se permettre d'en former en trop grande quantité. Les teneurs en C, N et Ti doivent donc être maintenues dans les limites prescrites. 9 careful raw materials and / or a metallurgical treatment of desulfurization during of the step of melting and adjusting the composition of the steel. It reduces the tenacity by segregation at the grain boundaries, and form harmful sulphides for properties mechanical.
The P content is at most 0.040% (400 ppm), preferably at most 0.020%
(200 ppm) to better ensure the right compromise between Rm and K1C sought. he this is still a residual element that tends to segregate at the grain boundaries and, therefore, decreases the tenacity.
The Ni content is between 8 and 14%, preferably between 11.3 and 12.5%.
It is a gamma element, and it must be at a sufficiently high level to avoid the stabilization of delta ferrite during solution and homogenization. But it must also be maintained at a sufficient level low for ensure a complete martensitic transformation during the quenching strongly tendency to lower Ms according to equation (1). On the other hand, he participates in hardening of steel during aging by precipitation of NiAl hardening phases and Ni3Ti which give the steels of the invention their level of mechanical strength. He has also for function of forming reversion austenite during aging, which finely precipitates between the slats of martensite and provides their ductility and tenacity to steels the invention.
The Cr content is between 8 and 14%, preferably between 8.5 and 10%.
he is the main element that provides resistance to corrosion, which justifies the limit lower by 8%. But we must limit its content to 14% so that it does not contribute not to stabilization of delta ferrite and that it does not pass Ms, calculated according to the equation (1), below 50 C.
The content of Mo + W / 2 is between 1.5 and 3.0%, preferably between 1.5 and 2.5%. Mo participates in corrosion resistance and is likely to form a phase hardening Fe7Mo6. However, adding an excessive amount of MB may lead to the formation of a phase ji. Fe6Mo7 and thus decrease the amount of MB
available to limit corrosion. Optionally, at least part of the MB can be replaced by W.
is well known that in steels, these two elements are functionally often comparable, and that, at equal percentage weight, W is twice as effective than Mo.
The Al content is between 1.0 and 2.0%, preferably between 1.05 and 2.0%, better between 1.0 and 1.5%, optimally between 1.05 and 1.5%. During the aging it forms the NiAl hardening phase. The IA is usually known as degrade the ductility, but this disadvantage is negated by the possibility offered by the invention of perform dissolution at relatively low temperatures.
The Ti content is between 0.5 and 2.0%, preferably between 1.10 and 1,55%. He also participates in hardening during aging by forming the sentence Ni 3 Ti. It also makes it possible to fix C and N in the form of carbides and carbonitrides of Ti and to avoid the harmful effects of C. However, as has been said, these carbides and carbonitrides are harmful to fatigue behavior, and we can not afford to train Too much. The contents of C, N and Ti must therefore be maintained in the prescribed limits.
10 La teneur en Co est comprise entre 2 et 9%, de préférence entre 2,50 et 6,5%, mieux entre 2,50 et 3,50%. Il permet de stabiliser l'austénite aux températures d'homogénéisation et de mise en solution, et donc d'éviter la formation de ferrite delta. Il participe au durcissement par sa présence en solution solide et aussi en ce qu'il favorise la précipitation des phases NiAl et Ni3Ti. On peut l'ajouter en substitution au Ni de façon à
élever la température Ms et assurer qu'elle est supérieure à 50 C. Par rapport à l'acier décrit dans EP-A-1 896 624 où Co doit être d'au plus 2%, le but est ici d'utiliser Co pour contribuer de façon importante au durcissement, ceci en combinaison avec les autres éléments présents et les traitements thermiques requis. La teneur préférentielle visée de 2,50-3,50% représente le meilleur compromis entre le coût de l'acier et ses performances.
N doit être d'au plus 0,030% (300 ppm), de préférence au plus 0,0060% (60 ppm) pour mieux assurer le bon compromis entre Rm et K1C recherché. On n'ajoute pas volontairement d'azote au métal liquide, et les traitements sous vide qui sont généralement pratiqués pendant l'élaboration permettent de protéger l'acier liquide contre les reprises d'azote atmosphérique, voire d'enlever une partie de l'azote dissous. N est défavorable à la ductilité de l'acier et forme des nitrures de Ti anguleux qui sont susceptibles d'être des sites d'amorçage de fissures lors de sollicitations en fatigue.
0 doit être d'au plus 0,020% (200 ppm), de préférence 0,0050% (50 ppm) pour mieux assurer le bon compromis entre Rm et K1C recherché. Il est lui aussi défavorable à la ductilité, et les inclusions oxydées qu'il forme sont aussi potentiellement des sites d'amorçage de fissures en fatigue. La teneur en 0 devra être choisie selon les critères habituels pour l'homme du métier, en fonction des caractéristiques mécaniques précises requises pour le produit final.
De manière générale, les propriétés mécaniques de l'acier de l'invention sont défavorablement affectées par les inclusions d'oxydes et de nitrures.
L'utilisation de 10 The Co content is between 2 and 9%, preferably between 2.50 and 6.5%, better between 2.50 and 3.50%. It helps to stabilize the austenite with temperatures of homogenisation and dissolution, and thus to avoid the formation of ferrite delta. he contributes to the hardening by its presence in solid solution and also in that he favors the precipitation of NiAl and Ni3Ti phases. It can be added as a substitution to Ni so as to raise the temperature Ms and ensure that it is above 50 C.
to steel described in EP-A-1 896 624 where Co must be at most 2%, the goal is here to use Co for contribute significantly to hardening, this in combination with the other present elements and heat treatments required. Content preferential aim of 2.50-3.50% represents the best compromise between the cost of steel and its performance.
N must not exceed 0.030% (300 ppm), preferably not more than 0.0060% (60 ppm) to better ensure the right compromise between Rm and K1C sought. We do not add voluntarily nitrogen to the liquid metal, and the vacuum treatments that are generally used during processing to protect steel liquid against atmospheric nitrogen recovery, or even to remove some of the nitrogen dissolved. N is unfavorable to the ductility of steel and forms angular Ti nitrides which are likely to be sites of crack initiation during solicitations in tired.
0 must be at most 0.020% (200 ppm), preferably 0.0050% (50 ppm) for better to ensure the good compromise between Rm and K1C sought. He is also unfavorable ductility, and the oxidized inclusions it forms are also potentially sites crack initiation in fatigue. The content of 0 should be chosen according to criteria common to those skilled in the art, depending on the mechanical characteristics accurate required for the final product.
In general, the mechanical properties of the steel of the invention are adversely affected by inclusions of oxides and nitrides.
The use of
11 procédés d'élaboration visant à minimiser leur présence dans l'acier final (VIM, ESR, VAR) est préférée notamment pour cette raison.
Les autres éléments présents dans l'acier de l'invention sont du fer et les impuretés résultant de l'élaboration.
Il doit être entendu que les gammes données comme préférentielles pour chaque élément sont indépendantes les unes des autres, c'est-à-dire que la composition de l'acier peut ne se situer dans ces gammes préférentielles que pour certains éléments seulement.
Des essais ont été effectués sur des échantillons issus de coulées de lingots ayant les compositions exposées dans le tableau 1. Les compositions des échantillons A
à E correspondent à des aciers de référence : A, D et E sont conformes à
l'enseignement de EP-A-1 896 624. B et C sont deux exemples de référence qui permettent de mettre en valeur l'intérêt d'imposer Ms selon l'invention. Les compositions des échantillons 1 à 16 correspondent à des aciers selon l'invention. Les échantillons A, B, C et 1 à
5 sont issus de lingots de 6 kg, et les autres échantillons sont issus de lingots de 150 kg. Les lingots de 6 kg ont été élaborés dans un premier temps pour une première validation du concept de l'invention, et leurs propriétés encourageantes ont conduit à poursuivre les expériences avec des coulées de 150 kg pour confirmer et affiner la définition de l'invention. Les lingots de 6 kg ont aussi permis de réaliser directement des essais de traction, alors qu'il a été nécessaire de former les lingots de 150 kg pour en extraire ensuite les échantillons sur lesquels les mesures des paramètres régissant la ténacité ont été effectuées.
0% Si % Mn % S% P%
Ni % Cr % Mo % Al %
A 0,0031 0,031 <0,010 0,0005 <0,0050 12,41 9,80 2,03 1,38 B <0,0020 0,024 <0,010 0,0004 <0,0050 12,38 9,75 2,04 1,38 C <0,0020 0,028 <0,010 0,0005 <0,0050 12,41 9,68 2,03 1,36 D 0,0020 0,057 <0,010 0,0012 <0,0050 12,24 10,03 2,01 1,47 E
0,0042 0,087 <0,010 0,0001 <0,0050 12,48 9,97 2,05 1,42 F
0,0130 0,064 <0,010 0,0011 <0,0050 8,21 10,63 4,99 1,19 1 <0,0020 0,030 <0,010 0,0004 <0,0050 12,41 9,70 2,03 1,38 0,0039 0,022 <0,010 0,0006 <0,0050 12,01 9,66 2,02 1,40 0,0022 0,035 <0,010 0,0004 <0,0050 11,47 9,74 2,03 1,33 4 <0,0020 0,026 <0,010 0,0004 <0,0050 10,52 9,71 2,05 1,39 0,0026 0,035 <0,010 0,0005 <0,0050 9,52 9,80 2,06 1,37 11 development processes to minimize their presence in the final steel (VIM, ESR, VAR) is particularly preferred for this reason.
The other elements present in the steel of the invention are iron and the impurities resulting from the elaboration.
It should be understood that the ranges given as preferential for each element are independent of each other, that is, the composition of steel may be in these preferential ranges only for certain elements only.
Tests were carried out on samples from ingots casting having the compositions set forth in Table 1. The compositions of samples A
to E correspond to reference steels: A, D and E comply with teaching EP-A-1 896 624. B and C are two reference examples which make it possible to bring into value the interest of imposing Ms according to the invention. The compositions of samples 1 to 16 correspond to steels according to the invention. Samples A, B, C and 1 to 5 are from of 6 kg ingots, and the other samples are from ingots of 150 kg. Ingots 6 kg were first developed for a first validation of the concept of the invention, and their encouraging properties have led to the experiments with castings of 150 kg to confirm and refine the definition of the invention. The 6 kg ingots also made it possible to produce directly tests of traction, while it was necessary to form the ingots of 150 kg to extract then the samples on which the measurements of the parameters governing the tenacity have been made.
0% If% Mn% S% P%
Neither% Cr% Mo% Al%
A 0.0031 0.031 <0.010 0.0005 <0.0050 12.41 9.80 2.03 1.38 B <0.0020 0.024 <0.010 0.0004 <0.0050 12.38 9.75 2.04 1.38 C <0.0020 0.028 <0.010 0.0005 <0.0050 12.41 9.68 2.03 1.36 D 0.0020 0.057 <0.010 0.0012 <0.0050 12.24 10.03 2.01 1.47 E
0.0042 0.087 <0.010 0.0001 <0.0050 12.48 9.97 2.05 1.42 F
0.0130 0.064 <0.010 0.0011 <0.0050 8.21 10.63 4.99 1.19 1 <0.0020 0.030 <0.010 0.0004 <0.0050 12.41 9.70 2.03 1.38 0.0039 0.022 <0.010 0.0006 <0.0050 12.01 9.66 2.02 1.40 0.0022 0.035 <0.010 0.0004 <0.0050 11.47 9.74 2.03 1.33 4 <0.0020 0.026 <0.010 0.0004 <0.0050 10.52 9.71 2.05 1.39 0.0026 0.035 <0.010 0.0005 <0.0050 9.52 9.80 2.06 1.37
12 6 0,0059 0,046 <0,010 0,0013 <0,0050 11,86 10,04 2,01 1,25 7 0,0049 0,046 <0,010 0,0015 <0,0050 11,33 10,18 2,00 1,23 8 0,0018 0,023 <0,010 0,0016 <0,0050 10,32 10,15 2,01 1,33 9 0,0130 0,029 <0,010 0,0014 <0,0050 11,47 10,14 1,99 1,32 0,0018 0,041 <0,010 0,0013 <0,0050 12,21 9,12 2,05 1,31 11 0,0020 0,036 <0,010 0,0016 <0,0050 11,26 9,16 2,00 1,35 12 0,0030 0,063 <0,010 0,0001 <0,0050 12,43 8,98 2,08 1,38 12 6 0.0059 0.046 <0.010 0.0013 <0.0050 11.86 10.04 2.01 1.25 0.0049 0.046 <0.010 0.0015 <0.0050 11.33 10.18 2.00 1.23 8 0.0018 0.023 <0.010 0.0016 <0.0050 10.32 10.15 2.01 1.33 0.0130 0.029 <0.010 0.0014 <0.0050 11.47 10.14 1.99 1.32 0.0018 0.041 <0.010 0.0013 <0.0050 12.21 9.12 2.05 1.31 11 0.0020 0.036 <0.010 0.0016 <0.0050 11.26 9.16 2.00 1.35 12 0.0030 0.063 <0.010 0.0001 <0.0050 12.43 8.98 2.08 1.38
13 0,0023 0,061 <0,010 0,0001 <0,0050 11,75 9,40 2,06 1,39 13 0.0023 0.061 <0.010 0.0001 <0.0050 11.75 9.40 2.06 1.39
14 0,0048 0,022 <0,010 0,0003 <0,0050 11,82 9,60 2,03 1,09 0,0052 0,024 <0,010 0,0004 <0,0050 11,77 9,39 2,01 1,72 16 0,0049 0,024 <0,010 0,0004 <0,0050 11,15 9,55 2,00 1,05 Ti % Co % N % 0 % Fe Ms ( C) suivant équation (1) A 1,18 <0,010 0,0029 0,0008 reste 85 B 1,17 6,11 0,0021 0,0009 reste 16 C 1,16 9,11 0,0006 0,0009 reste -19 D 1,15 <0,010 0,0024 0,0010 reste 88 E 1,17 <0,010 0,0022 0,0013 reste 72 F 0,051 8,22 0,0018 0,0008 reste 210 1 1,18 3,06 0,0015 0,0015 reste 53 2 1,18 3,07 0,0017 0,0019 reste 81 3 1,17 6,13 0,0014 0,0012 reste 73 4 1,18 6,11 0,0015 0,0010 reste 135 5 1,18 6,14 0,0004 0,0013 reste 193 6 1,20 3,19 0,0009 0,0010 reste 69 7 1,23 6,02 0,0008 0,0006 reste 63 8 1,17 6,22 0,0021 0,0026 reste 128 9 1,16 5,00 0,0009 0,0007 reste 70 10 1,22 3,09 0,0016 0,0006 reste 88 11 1,17 6,20 0,0019 0,0008 reste 111 12 1,23 3,12 0,0039 0,0009 reste 79 13 1,21 3,09 0,0029 0,0005 reste 106 14 1,45 3,06 0,0044 0,0003 reste 91 14 0.0048 0.022 <0.010 0.0003 <0.0050 11.82 9.60 2.03 1.09 0.0052 0.024 <0.010 0.0004 <0.0050 11.77 9.39 2.01 1.72 16 0.0049 0.024 <0.010 0.0004 <0.0050 11.15 9.55 2.00 1.05 Ti% Co% N% 0% Fe Ms (C) according to equation (1) At 1.18 <0.010 0.0029 0.0008 remain 85 B 1,17 6,11 0,0021 0,0009 remain 16 C 1.16 9.11 0.0006 0.0009 remains -19 D 1.15 <0.010 0.0024 0.0010 remain 88 E 1.17 <0.010 0.0022 0.0013 remains 72 F 0.051 8.22 0.0018 0.0008 remains 210 1 1,18 3,06 0,0015 0,0015 remaining 53 2 1,18 3,07 0,0017 0.0019 left 81 3 1,17 6,13 0,0014 0,0012 remaining 73 4 1,18 6,11 0,0015 0,0010 remain 135 5 1,18 6,14 0,0004 0,0013 remaining 193 6 1,20 3,19 0,0009 0,0010 left 69 7 1.23 6.02 0.0008 0.0006 remains 63 8 1,17 6,22 0,0021 0,0026 remain 128 9 1,16 5,00 0,0009 0,0007 remaining 70 10 1.22 3.09 0.0016 0.0006 remains 88 11 1.17 6.20 0.0019 0.0008 remaining 111 12 1.23 3.12 0.0039 0.0009 remaining 79 13 1.21 3.09 0.0029 0.0005 remains 106 14 1.45 3.06 0.0044 0.0003 remaining 91
15 0,94 3,03 0,0036 0,0013 reste 112 15 0.94 3.03 0.0036 0.0013 remains 112
16 1,45 4,08 0,0016 0,0010 reste 124 Tableau 1 : Compositions des échantillons d'essai, avec leurs Ms calculées suivant l'équation (1) Les lingots de 6 kg (A, B, C 1 à 5) ont été élaborés par traitement sous vide du métal liquide avant leur coulée. Ils ont été homogénéisés à 1250 C pendant 48h. Ils ont ensuite été filés après chauffage à 940 C pour être mis sous forme de barres de diamètre 22 mm. Le tableau 2 indique quels traitements ces barres ont ensuite subis, et quelles étaient leurs principales propriétés mécaniques finales mesurées en sens long :
résistance à la traction Rm, limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% Rp0,2, allongement à
la rupture A, striction à la rupture Z, dureté Vickers. La taille réduite des échantillons filés n'a pas permis d'en extraire des éprouvettes qui auraient eu les dimensions nécessaires pour réaliser les essais de ténacité.
Ech. Traitement thermique Vieillissement Rm RP0,2 A Z
Dureté
Mise Température Température Durée (MPa) (MPa) (%) (%) (Hv) en de trempe ( C) (h) solution ( C) ( C/ h) A 850/1,5 -80 510 16 1868 1758 11 48 548 B 850/1,5 -80 510 16 Essais non réalisés 216 C 850/1,5 -80 510 16 (trop d'austénite dans la 146 structure) 1 850/1,5 -80 510 16 1826 1678 11 48 546 2 850/1,5 -80 510 16 1947 1797 11 49 577 3 850/1,5 -80 510 16 1910 1794 11 50 574 4 850/1,5 -80 510 16 1966 1872 11 49 590 5 850/1,5 -80 510 16 1977 1893 8 25 583 Tableau 2 : Conditions de traitement et propriétés mécaniques des échantillons issus des lingots de 6 kg On notera que la présence excessive d'austénite dans la structure s'est traduite, pour les échantillons de référence B et C, par une dureté très faible, qui était l'indice d'une résistance à la traction médiocre et assurément insuffisante par rapport aux exigences de l'invention. On a donc jugé inutile de procéder à d'autres essais mécaniques sur ces échantillons. Ces échantillons avaient des compositions qui, pour ce qui est des teneurs individuelles de chaque élément, étaient conformes aux exigences de l'invention, mais qui, prises ensemble, procuraient une température de transformation martensitique Ms trop basse (inférieure à 50 C). La trempe, effectuée dans les conditions d'expérimentation, qui correspondent à ce qui est habituellement pratiqué
industriellement, n'a pas permis d'obtenir une structure suffisamment martensitique dans le cas de ces échantillons. Cela montre que la condition posée sur Ms est importante à
considérer dans le cadre de l'invention.
Concernant les lingots de 150 kg (D, E, 6 à 16), ils ont été élaborés sous vide, coulés, puis refondus également sous vide par le procédé VAR pour donner des lingots de diamètre 200 mm. Ils ont ensuite été homogénéisés à 1250 C pendant 48 h, puis forgés à cette température en demi-produits de section octogonale de 110 mm, puis, après un réchauffage à 940 C, à nouveau forgés, cette fois en barres de section 80x40 mm. Le tableau 3 expose les conditions dans lesquelles ont été réalisés les traitements thermiques qui ont suivi, et les propriétés mécaniques mesurées en sens long sur les échantillons. Par rapport aux essais du tableau 2, on n'a pas réalisé de mesure de la dureté qui auraient fait double emploi avec les mesures de Rm, et on a réalisé
des essais de résilience (mesure de Kv) et de ténacité (mesure de K1C).
Traitement thermique Vieillissement Rm R130,2 A Z
Kv K1C
Mise en Température Température Durée (MPa) (MPa) (%) (%) (J) (MPa.m1/2) solution de ( c) (h) ( C/h) trempe ( c) D 850/1,5 -80 480 16 1952 1825 10 47 7 43 D 850/1,5 -80 490 16 1900 1696 10 48 9 46 D 850/1,5 -80 510 16 1829 1733 11 53 12 49 D 850/1,5 -80 530 E 850/1,5 -80 490 16 1872 1712 12 47 10 46 E 850/1,5 -80 510 E 900/1,5 -80 510 16 1885 1761 12 48 7 56 F 930/1,5 -80 540 4 1949 1809 14 52 8 50 F 930/1,5 -80 510 4 1908 1756 12 48 14 52 6 850/1,5 -80 490 16 1892 1748 13 53 15 67 6 850/1,5 -80 510 16 1814 6 850/1,5 -80 530 16 1692 1563 16 59 32 115 7 850/1,5 -80 480 16 1888 1659 12 45 10 52 7 850/1,5 -80 490 16 1897 1755 13 53 19 63 7 850/1,5 -80 510 16 1809 7 850/1,5 -80 530 16 1682 1521 16 61 31 125 8 850/1,5 -80 490 16 2078 1970 10 42 5 31 8 850/1,5 -80 510 16 2021 1952 10 51 6 40 8 850/1,5 -80 530 16 1820 1753 11 50 12 63 9 850/1,5 -80 490 16 1920 1768 12 52 16 56 9 850/1,5 -80 510 16 1868 1719 13 53 17 68 9 850/1,5 -80 530 16 1721 1585 15 59 28 104 10 850/1,5 -80 490 16 1957 10 850/1,5 -80 500 16 1949 10 850/1,5 -80 510 16 1917 1787 13 59 18 65 10 850/1,5 -80 530 16 1785 10 850/1,5 -80 490 4 1968 1839 11 43 10 46 10 850/1,5 -80 510 4 1969 1878 11 49 10 52 10 850/1,5 -80 530 4 1943 1812 12 53 10 58 11 850/1,5 -80 490 16 2014 1933 9 51 14 43 11 850/1,5 -80 500 16 2040 1940 12 53 7 45 11 850/1,5 -80 510 16 2004 1920 10 50 12 49 11 850/1,5 -80 530 16 1800 11 850/1,5 -80 490 4 2011 1883 11 42 4 41 11 850/1,5 -80 510 4 2019 1934 10 46 7 38 11 850/1,5 -80 530 4 1983 1889 12 54 7 45 12 850/1,5 -80 490 16 1989 1840 13 55 14 52 12 850/1,5 -80 510 16 1953 12 850/1,5 -80 530 16 1835 1721 13 61 16 74 13 850/1,5 -80 490 16 2028 13 850/1,5 -80 510 16 1982 1870 12 56 15 55 13 850/1,5 -80 530 16 1851 14 850/1,5 -80 490 16 1991 14 850/1,5 -80 510 16 1943 14 850/1,5 -80 530 16 1818 1698 11 48 16 72 14 875/1,5 -80 490 16 1984 14 875/1,5 -80 510 16 1940 14 875/1,5 -80 530 16 1819 15 850/1,5 -80 490 15 850/1,5 -80 510 15 850/1,5 -80 530 16 850/1,5 -80 490 16 850/1,5 -80 510 16 850/1,5 -80 530 Tableau 3 : Conditions de traitement et propriétés mécaniques des échantillons issus des lingots de 150 kg Les propriétés des différents échantillons peuvent être commentées comme suit.
Les échantillons de référence A, D et E correspondent aux aciers à teneur en Co faible ou nulle décrits dans EP-A-1 896 624 . Par rapport aux aciers de l'invention, on voit que leur Rm est relativement faible.
Les échantillons de référence B et C ont une Ms de moins de 50 C, donc trop faible pour être conforme à l'invention. Cela explique la présence excessive d'austénite résiduelle qui empêche d'obtenir une Rm suffisante, traduite par une faible dureté.
L'échantillon de référence F montre qu'une teneur en Mo trop élevée et une teneur en Ti trop basse par rapport aux exigences de l'invention conduisent à
l'obtention de propriétés mécaniques qui sont seulement au niveau de celles des autres échantillons de référence.
L'échantillon 1 est conforme à l'invention, mais a une Ms inférieure à
l'optimum de 75 C et davantage. Sa Rm est donc relativement faible et ne conviendra pas pour toutes les applications envisageables. On peut dire la même chose, mais dans une moindre mesure, de l'échantillon 3.
L'échantillon 2 a, au contraire, une Ms conforme à l'optimum, et sa Rm de 1947 MPa est excellente.
Les échantillons 4 et 5, à haute Ms du fait de leur substitution importante du Ni par Co, ont une excellente Rm de 1966 et 1977 MPa respectivement.
L'échantillon 6 a une Ms qui n'est pas optimale par rapport à l'échantillon 2 qui a lui aussi environ 3% de Co. De même pour l'échantillon 7 qui a une teneur en Co d'environ 6%, mais une moins bonne Rm que l'échantillon 4 du fait de sa plus basse Ms. 16 1.45 4.08 0.0016 0.0010 remains 124 Table 1: Compositions of the test samples, with their calculated Ms according to equation (1) The 6 kg ingots (A, B, C 1 to 5) were prepared by vacuum treatment of liquid metal before casting. They were homogenized at 1250 C during 48h. they have then spun after heating to 940 C to form bars of diameter 22 mm. Table 2 indicates which treatments these bars then underwent, and what were their main final mechanical properties measured in long :
tensile strength Rm, yield strength 0.2% Rp0.2, lengthening to break A, necking at break Z, Vickers hardness. The small size of spun samples did not allow to extract test tubes that would have the dimensions required to carry out toughness tests.
Ech. Heat treatment Aging Rm RP0,2 AZ
Hardness Setting Temperature Temperature Duration (MPa) (MPa) (%) (%) (Hv) quenched (C) (h) solution (C) (C / h) A 850 / 1.5 -80 510 16 1868 1758 11 48 548 B 850 / 1.5 -80 510 16 Unrealized tests 216 C 850 / 1.5 -80 510 16 (too much austenite in the 146 structure) 1 850 / 1.5 -80 510 16 1826 1678 11 48 546 2,850 / 1.5 -80 510 16 1947 1797 11 49,577 3,850 / 1.5 -80 510 16 1910 1794 11 50 574 4,850 / 1,5 -80 510 16 1966 1872 11 49 590 5 850 / 1.5 -80 510 16 1977 1893 8 25 583 Table 2: Treatment conditions and mechanical properties of the samples from the 6 kg ingots It should be noted that the excessive presence of austenite in the structure translated for reference samples B and C, by a very low hardness, which was the index of a poor tensile strength and certainly insufficient compared to the requirements of the invention. It was therefore considered unnecessary to carry out other mechanical tests on these samples. These samples had compositions which, as far as grades individual components of each element, complied with the requirements of the invention but which, taken together, provided a transformation temperature Martensitic Ms too low (less than 50 C). Quenching, performed under the conditions of experimentation, which correspond to what is usually practiced industrially, did not allow to obtain a structure sufficiently martensitic in the case of these samples. This shows that the condition on Ms is important to consider in the context of the invention.
Concerning ingots of 150 kg (D, E, 6 to 16), they were developed under empty, cast, then also remelted under vacuum by the VAR process to give ingots of diameter 200 mm. They were then homogenized at 1250 ° C. for 48 hours.
then forged at this temperature into half-products of octagonal section of 110 mm, then, after reheating to 940 C, again forged, this time in bars of section 80x40 mm. Table 3 sets out the conditions under which the treatments thermal conditions that followed, and the mechanical properties measured in the long on the samples. Compared with the tests in Table 2, no measure of the hardness that would have duplicated the Rm measurements, and we realized tests resilience (Kv measurement) and toughness (K1C measurement).
Heat treatment Aging Rm R130,2 AZ
Kv K1C
Set Temperature Temperature Duration (MPa) (MPa) (%) (%) (J) (MPa.m1 / 2) solution of (c) (h) (C / h) quenching ( vs) D 850 / 1,5 -80 480 16 1952 1825 10 47 7 43 D 850 / 1,5 -80 490 16 1900 1696 10 48 9 46 D 850 / 1,5 -80 510 16 1829 1733 11 53 12 49 D 850 / 1.5 -80 530 E 850 / 1,5 -80 490 16 1872 1712 12 47 10 46 E 850 / 1.5 -80 510 E 900 / 1,5 -80 510 16 1885 1761 12 48 7 56 F 930 / 1.5 -80 540 4 1949 1809 14 52 8 50 F 930 / 1,5 -80 510 4 1908 1756 12 48 14 52 6,850 / 1.5 -80 490 16 1892 1748 13 53 15 67 6,850 / 1.5 -80 510 16 1814 6,850 / 1.5 -80 530 16 1692 1563 16 59 32 115 7,850 / 1.5 -80 480 16 1888 1659 12 45 10 52 7,850 / 1.5 -80 490 16 1897 1755 13 53 19 63 7,850 / 1.5 -80 510 16 1809 7,850 / 1.5 -80 530 16 1682 1521 16 61 31 125 8,850 / 1.5 -80 490 16 2078 1970 10 42 5 31 8,850 / 1.5 -80 510 16 2021 1952 10 51 6 40 8,850 / 1.5 -80 530 16 1820 1753 11 50 12 63 9,850 / 1.5 -80 490 16 1920 1768 12 52 16 56 9,850 / 1.5 -80 510 16 1868 1719 13 53 17 68 9,850 / 1.5 -80 530 16 1721 1585 15 59 28 104 10 850 / 1.5 -80 490 16 1957 10 850 / 1.5 -80 500 16 1949 10 850 / 1.5 -80 510 16 1917 1787 13 59 18 65 10 850 / 1.5 -80 530 16 1785 10 850 / 1.5 -80 490 4 1968 1839 11 43 10 46 10 850 / 1.5 -80 510 4 1969 1878 11 49 10 52 10 850 / 1.5 -80 530 4 1943 1812 12 53 10 58 11,850 / 1.5 -80 490 16 2014 1933 9 51 14 43 11 850 / 1.5 -80 500 16 2040 1940 12 53 7 45 11,850 / 1,5 -80 510 16 2004 1920 10 50 12 49 11,850 / 1.5 -80 530 16 1800 11,850 / 1.5 -80 490 4 2011 1883 11 42 4 41 11,850 / 1.5 -80 510 4 2019 1934 10 46 7 38 11,850 / 1.5 -80 530 4 1983 1889 12 54 7 45 12,850 / 1.5 -80 490 16 1989 1840 13 55 14 52 12,850 / 1.5 -80 510 16 1953 12,850 / 1.5 -80 530 16 1835 1721 13 61 16 74 13,850 / 1.5 -80 490 16 2028 13,850 / 1,5 -80 510 16 1982 1870 12 56 15 55 13 850 / 1.5 -80 530 16 1851 14,850 / 1.5 -80 490 16 1991 14,850 / 1.5 -80 510 16 1943 14,850 / 1,5 -80 530 16 1818 1698 11 48 16 72 14,875 / 1.5 -80 490 16 1984 14,875 / 1.5 -80 510 16 1940 14,875 / 1.5 -80 530 16 1819 15,850 / 1.5 -80,490 15 850 / 1.5 -80 510 15,850 / 1.5 -80,530 16,850 / 1.5 -80,490 16,850 / 1.5 -80,510 16,850 / 1.5 -80,530 Table 3: Treatment conditions and mechanical properties of the samples from 150 kg ingots The properties of the different samples can be commented as follows.
Reference samples A, D and E correspond to steels with a content of Co low or zero described in EP-A-1 896 624. Compared to the steels of the invention, we see that their Rm is relatively small.
Reference samples B and C have an MS of less than 50 C, so too weak to conform to the invention. This explains the excessive presence austenite residual that prevents a sufficient Rm, resulting in a low hardness.
Reference sample F shows that a high Mo content and a Ti content is too low compared to the requirements of the invention lead to obtaining mechanical properties that are only at the level of those of others samples reference.
Sample 1 is in accordance with the invention, but has a Ms less than the optimum 75 C and more. Its Rm is therefore relatively weak and will not be suitable for all conceivable applications. We can say the same thing, but in a lesser extent, sample 3.
Sample 2, on the other hand, has an optimum MS, and its Rm of 1947 MPa is excellent.
Samples 4 and 5, at high Ms because of their significant substitution of Or by Co, have an excellent Rm of 1966 and 1977 MPa respectively.
Sample 6 has an MS that is not optimal compared to sample 2 who has also about 3% of Co. Similarly for sample 7 which has a content of Co about 6%, but not as good as sample 4 because of its higher low Ms.
17 La Rm très élevée de l'échantillon 8 est due à sa Ms élevée combiné à une teneur en Co d'environ 6%.
L'échantillon 9 à 5% de Co présente une Ms inférieure à l'optimum et sa Rm est relativement limitée. Cela montre bien qu'une teneur relativement élevée en Co n'est pas suffisante pour assurer une Rm élevée dans le cadre de l'invention.
Les échantillons 10 et 12 sont ceux qui présentent le meilleur compromis entre Rm et K1C. De fait, leurs compositions sont conformes aux teneurs préférentielles sur tous les éléments.
L'échantillon 11 présente une Ms élevée, et une Rm élevée. L'équilibre entre Rm et K1C est meilleur que pour l'échantillon 8 du fait d'un meilleur équilibrage entre les teneurs en Ni et Cr.
La comparaison entre les échantillons 13, 14 et 15 met en évidence l'effet avantageux de la substitution partielle de Al par Ti : l'échantillon 14 est celui qui a le meilleur compromis entre Rm et K1C. On notera aussi que ces échantillons ont une teneur en Cr (9,4-9,6%) plus élevée que celle (9% environ) des échantillons 10 et 12.
L'échantillon 16 présente une Ms élevée. Sa Rm est équivalente à celle de l'échantillon 12 mais sa K1C est moins favorable à cause d'une teneur en Cr un peu plus forte.
La figure 1 traduit les résultats du tableau 3 en termes de compromis entre Rm et K1C pour les échantillons issus de lingots de 150 kg, ceux-ci étant les seuls pour lesquels la ténacité a été mesurée. Globalement, K1C diminue lorsque Rm augmente, et les aciers selon l'invention présentent un meilleur compromis entre ces deux propriétés que les aciers de référence D et E dont les compositions sont relativement voisines de l'invention sauf sur la teneur en Co.
Pour les échantillons de référence, une Rm de 1701 MPa correspond à une ténacité de 66 MPA.m1/2. Cet acier ne serait donc pas du tout adapté aux utilisations privilégiées envisagées du fait de sa Rm très insuffisante. La Rm maximale des échantillons de référence est de 1952 MPa, ce qui serait correct pour lesdites utilisations, mais la ténacité correspondante n'est que de 43 MPa.m1/2, ce qui serait très insuffisant.
Les meilleurs compromis résistance/ténacité sont obtenus pour des Rm de 1845 à
MPa, auxquelles correspondent des ténacités de l'ordre de 46 à 56 MPA.m1/2.
Ces propriétés mécaniques prises dans leur ensemble ne sont donc pas aussi favorables que pour les aciers au carbone de type 300M.
Pour ce qui est des échantillons selon l'invention, on voit sur la figure 1 qu'un très bon compromis entre Rm et K1C est généralement obtenu pour des Rm de l'ordre de 17 The very high Rm of Sample 8 is due to its high Ms combined with a Co content about 6%.
Sample 9 at 5% Co has a Ms less than optimum and its Rm is relatively limited. This shows that a relatively high content of Co is not sufficient to ensure a high Rm within the scope of the invention.
Samples 10 and 12 have the best compromise between Rm and K1C. In fact, their compositions are consistent with the contents preferential all the elements.
Sample 11 has a high Ms and a high Rm. The balance between Rm and K1C is better than for sample 8 because of better balancing between Ni and Cr contents.
The comparison between samples 13, 14 and 15 highlights the effect advantage of the partial substitution of Al by Ti: the sample 14 is whoever has the better compromise between Rm and K1C. It should also be noted that these samples have a Cr content (9.4-9.6%) higher than that (about 9%) of the samples 10 and 12.
Sample 16 has a high Ms. Its Rm is equivalent to that of sample 12 but its K1C is less favorable because of a Cr content little more strong.
Figure 1 shows the results of Table 3 in terms of trade-off between Rm and K1C for samples from 150 kg ingots, these being the only ones for which toughness was measured. Overall, K1C decreases as Rm increases, and steels according to the invention have a better compromise between these two properties that reference steels D and E whose compositions are relatively close to the invention except on the content of Co.
For reference samples, an Rm of 1701 MPa corresponds to one toughness of 66 MPA.m1 / 2. This steel would therefore not be suitable for uses preferred because of its very inadequate RM. The maximum Rm of reference samples is 1952 MPa, which would be correct for said uses, but the corresponding tenacity is only 43 MPa.m1 / 2, which would be very insufficient.
The best resistance / toughness compromises are obtained for Rm from 1845 to MPa, to which correspond the tenacity of the order of 46 to 56 MPA.m1 / 2.
These mechanical properties taken as a whole are therefore not as favorable that for type 300M carbon steels.
With regard to the samples according to the invention, we see in FIG.
that a very good trade-off between Rm and K1C is usually obtained for Rm of the order of
18 1950 MPa, qui correspondent à des K1C de l'ordre de 46 à 63 MPa.m1/2, le plus souvent supérieures à 50 MPa.m1/2. On retombe donc sur les ordres de grandeur des propriétés correspondantes des aciers 300M
On voit également que si une diminution de Rm était acceptable, la ténacité
serait augmentée dans des proportions importantes, et inversement. Les aciers selon l'invention procurent donc à l'utilisateur une grande souplesse dans le choix de leurs propriétés, qui sont modulables par la composition, les traitements thermiques et le vieillissement final choisis dans le cadre qui a été cité.
Concernant la ductilité, les valeurs de A% et Z% des échantillons selon l'invention sont très comparables à celles que l'on obtient sur les aciers de type 300M.
L'invention ne procure donc aucune dégradation par rapport au 300M de ce point de vue.
Sur certains de ces mêmes échantillons issus de coulées de lingots de 150 kg (les échantillons D, 6 à 8 et 10 à 16), on a aussi réalisé des essais de corrosion au brouillard salin, dans une solution aqueuse à 50 g/I de NaCI à 35 C. Ils avaient tous, auparavant, été soumis au même traitement thermique de mise en solution à 850 C
pendant 1 h 30 min, à une trempe à -80 C et à un vieillissement à 510 C
pendant 16 h.
Aucun de ces échantillons ne montrait de traces de corrosion après 200 h d'exposition.
Les aciers selon l'invention ne voient donc pas leurs résultats en corrosion au brouillard salin dégradés par rapport à l'acier de référence D qui ne contient pas de Co.
On a également réalisé des essais de corrosion sous contrainte, dans un milieu aqueux à 3,5% de NaCI à 23 C, sur les échantillons E et 10, soumis à une mise en solution à 850 C pendant 1 h 30 min, à une trempe à -80 C et vieillis à 510 C
pendant 16 h. On a mesuré la ténacité K1C dans l'air et les durées avant rupture pour des charges égales à 75% de K1C. Dans les deux cas, les échantillons ont résisté pendant plus de 500 h avant la rupture. C'est un bon résultat, et l'invention ne dégrade donc pas la tenue à
la corrosion sous contrainte par rapport aux aciers de référence sans Co.
Les aciers selon l'invention peuvent donc se substituer de façon mécaniquement satisfaisante aux aciers de type 300M, avec en plus le fait qu'ils présentent des performances de résistance à la corrosion en brouillard salin et en corrosion sous contrainte qui sont tout à fait favorables, car comparables à celles des aciers inoxydables par lesquels on pouvait envisager de remplacer les 300M.
Il doit être entendu que dans toute cette description, le lingot solidifié
qui est coulé à partir du métal liquide peut avoir toute forme susceptible de conduire, après les diverses déformations, à un produit final ayant la forme et les dimensions souhaitées pour son utilisation. En particulier, la coulée dans une lingotière classique munie d'un fond et 18 1950 MPa, which correspond to K1Cs of the order of 46 to 63 MPa.m1 / 2, the most often greater than 50 MPa.m1 / 2. We therefore fall back on the orders of magnitude of properties corresponding 300M steels We also see that if a decrease in Rm was acceptable, the tenacity would be increased in large proportions, and vice versa. Steels according to the invention thus provide the user with great flexibility in the choice of of their properties, which can be modulated by the composition, the heat treatments and the final aging chosen in the framework that has been cited.
With regard to ductility, the values of A% and Z% of the samples according to the invention are very comparable to those obtained on the steels of type 300M.
The invention therefore provides no degradation with respect to the 300M of this point of view.
On some of these same samples from ingots of 150 kg (samples D, 6 to 8 and 10 to 16), tests of corrosion at salt spray, in a 50 g / l aqueous solution of 35 C NaCl.
had all, previously, subjected to the same 850 heat treatment solution VS
for 1 h 30 min, tempering at -80 ° C. and aging at 510 ° C.
for 16 hours.
None of these samples showed signs of corrosion after 200 h exposure.
The steels according to the invention therefore do not see their corrosion results.
in fog saline degraded compared to the reference steel D which does not contain Co.
Stress corrosion tests have also been carried out in a medium aqueous solution containing 3.5% NaCl at 23 ° C on samples E and in solution at 850 ° C. for 1 h 30 min, tempered at -80 ° C. and aged at 510 ° C.
during 16 h. The K1C toughness in the air and the times before failure were measured for loads equal to 75% of K1C. In both cases, the samples withstood more than 500 h before the break. This is a good result, and the invention does not degrade so not holding at stress corrosion compared to reference steels without Co.
The steels according to the invention can therefore be substituted mechanically 300M steels, in addition to the fact that they present of the corrosion resistance performance in salt spray and corrosion under constraints which are quite favorable, since they are comparable to those stainless steels which could be considered to replace the 300M.
It must be understood that throughout this description, the solidified ingot who is poured from the liquid metal may have any shape likely to drive, after various deformations, to a final product having the shape and dimensions desired for its use. In particular, the casting in a conventional mold with of a background and
19 de parois latérales fixes n'est qu'une des façons possibles de procéder, et les différents procédés de coulée continue dans une lingotière sans fond à parois fixes ou mobiles peuvent être utilisés pour réaliser la solidification du lingot .
Une solution alternative à celle qui vient d'être décrite est de réaliser la suite de traitements thermiques sur un demi-produit issu non d'un lingot transformé à
chaud par laminage, forgeage, matriçage ou autre, mais sur un demi-produit fritté
fabriqué par métallurgie des poudres, auquel il serait donc possible de conférer directement une forme, éventuellement complexe, et des dimensions très proches de celles de la pièce définitive. La poudre utilisée est une poudre métallique qui a la composition de l'acier selon l'invention. Dans son cas, une homogénéisation du demi-produit fritté
n'est pas nécessaire. Mais le processus de fabrication peut comporter préalablement au frittage proprement dit, comme cela est classique pour l'homme du métier, une étape de pré-frittage effectuée dans des conditions moins sévères que le frittage en termes de température et/ou de durée. De manière générale, le processus de frittage est conduit comme l'homme du métier le ferait en utilisant ses connaissances habituelles. 19 fixed sidewalls is only one of the possible ways to proceed, and the different continuous casting processes in a bottomless mold with fixed walls or mobile can be used to effect the solidification of the ingot.
An alternative solution to the one just described is to realize the Following heat treatments on a semi-finished product derived from an ingot processed hot by rolling, forging, stamping or other, but on a sintered semi-finished product made by powder metallurgy, to which it would therefore be possible to confer directly a shape, possibly complex, and dimensions very close to those of the room final. The powder used is a metal powder that has the composition steel according to the invention. In his case, a homogenization of the sintered semi-product is not necessary. But the manufacturing process can include beforehand the sintering proper, as is conventional for those skilled in the art, a step of pre-sintering performed under conditions less severe than sintering in terms of temperature and / or duration. In general, the sintering process is pipe as the person skilled in the art would do by using his usual knowledge.
Claims (12)
- traces <= C <= 0,030%, de préférence <= 0,010% ;
- traces <= Si <= 0,25%, de préférence <= 0,10% ;
- traces <= Mn <= 0,25%, de préférence <= 0,10% ;
- traces <= S <= 0,020%, de préférence <= 0,005% ;
- traces <= P <= 0,040%, de préférence <= 0,020% ;
- 8% <= Ni <= 14%, de préférence 11,3% <= Ni <=
12,5% ;
- 8% <= Cr <= 14%, de préférence 8.5% <= Cr <= 10% ;
- 1,5% <= Mo + W/2 <= 3,0%, de préférence 1,5 <= Mo + W/2 <= 2,5% ;
- 1,0% <= Al <= 2,0%, de préférence 1,0% <= Al <= 1,5%
;
- 0,5% <= Ti <= 2,0%, de préférence 1,10% <= Ti <=
1,55% ;
- 2% <= Co <= 9%, de préférence 2,5% <= Co <= 6,5% ;
mieux entre 2,50 et 3,50% ;
- traces <= N <= 0,030%, de préférence <= 0,0060% ;
- traces <= 0 <= 0,020%, de préférence <= 0,0050% ;
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ;
et en ce que sa température de début de transformation martensitique Ms calculée par la formule (1) Ms (°C) = 1302 - 28Si - 50Mn - 63Ni - 42Cr - 30Mo + 20AI - 12Co -25Cu + 10[Ti -4(C+N)]
dans laquelle les teneurs des différents éléments sont exprimées en pourcentages pondéraux, est supérieure ou égale à 50°C, de préférence supérieure ou égale à 75°C. 1.- martensitic stainless steel, characterized in that its composition is, in weight percentages:
traces <= C <= 0.030%, preferably <= 0.010%;
- traces <= If <= 0.25%, preferably <= 0.10%;
traces <= Mn <= 0.25%, preferably <= 0.10%;
traces <= S <= 0.020%, preferably <= 0.005%;
traces <= P <= 0.040%, preferably <= 0.020%;
- 8% <= Ni <= 14%, preferably 11.3% <= Ni <=
12.5%;
- 8% <= Cr <= 14%, preferably 8.5% <= Cr <= 10%;
1.5% <= Mo + W / 2 <= 3.0%, preferably 1.5 <= Mo + W / 2 <= 2.5%;
- 1.0% <= Al <= 2.0%, preferably 1.0% <= Al <= 1.5%
;
- 0.5% <= Ti <= 2.0%, preferably 1.10% <= Ti <=
1.55%;
- 2% <= Co <= 9%, preferably 2.5% <= Co <= 6.5%;
better between 2.50 and 3.50%;
traces <= N <= 0.030%, preferably <= 0.0060%;
traces <= 0 <= 0.020%, preferably <= 0.0050%;
the rest being iron and impurities resulting from the elaboration;
and in that its martensitic transformation start temperature Ms calculated by formula (1) Ms (° C) = 1302 - 28Si - 50Mn - 63Ni - 42Cr - 30Mo + 20AI - 12Co -25Cu + 10 [Ti -4 (C + N)]
in which the contents of the different elements are expressed in percentages weight, is greater than or equal to 50 ° C, preferably greater than or equal to equal to 75 ° C.
1,5%. 2. Martensitic stainless steel according to claim 1, characterized in that than 1.05% <= Al <= 2.0%, and preferably 1.05% <= Al <=
1.5%.
en ce que Creq/Nieq <= 1,05, avec Cr eq = Cr + 2 Si + Mo + 1,5 Ti + 5,5 Al + 0,6 W
Ni eq = 2 Ni + 0,5 Mn + 30 C + 25 N + Co + 0,3 Cu 3. Martensitic stainless steel according to claim 1 or 2, characterized in this that Creq / Nieq <= 1.05, with Cr eq = Cr + 2 Si + Mo + 1.5 Ti + 5.5 Al + 0.6 W
Ni eq = 2 Ni + 0.5 Mn + 30 C + 25 N + Co + 0.3 Cu
en ce que la proportion de ferrite delta dans sa microstructure est inférieure ou égale à
1%. 4. Martensitic stainless steel according to one of claims 1 to 3, characterized in that the proportion of delta ferrite in its microstructure is lower than or equal to 1%.
- on prépare un demi-produit en acier ayant la composition selon l'une des revendications 1 à 4 par l'un des procédés suivants :
* on prépare un acier liquide ayant la composition selon l'une des revendications 1 à 4, et à partir de cet acier liquide, on coule et on solidifie un lingot et on le transforme en un demi-produit par au moins une transformation à chaud ;
* on prépare par métallurgie des poudres un demi-produit fritté en un acier ayant la composition selon l'une des revendications 1 à 4 ;
- on réalise une mise en solution complète du demi-produit dans le domaine austénitique, à une température comprise entre 800 et 940°C ;
- on réalise une trempe du demi-produit jusqu'à une température finale de trempe inférieure ou égale à -60°C, de préférence inférieure ou égale à -75°C ;
- on réalise un vieillissement entre 450 et 600°C pendant 4 à 32 h. 5.- Method for manufacturing a martensitic stainless steel part, characterized in that a steel semi-finished product having the composition according to one of the Claims 1 to 4 by one of the following methods:
a liquid steel having the composition according to one of the 1 to 4, and from this liquid steel, one sinks and solidifies an ingot and converts it into a half-product by at least one hot transformation;
* metallurgically prepared powders a sintered half-product made of a steel having the composition according to one of claims 1 to 4;
a complete solution of the semi-product in the field is carried out austenitic at a temperature between 800 and 940 ° C;
the quenching of the semi-finished product is carried out to a final temperature of temper less than or equal to -60 ° C, preferably less than or equal to 75 ° C;
aging is carried out between 450 and 600 ° C. for 4 to 32 hours.
1300 ° C during the less than 24h.
préparée par le procédé selon l'une des revendications 5 à 10. 11.- martensitic stainless steel part, characterized in that it has been prepared by the process according to one of claims 5 to 10.
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