EP0337846B1 - Acier inoxydable austéno-ferritique - Google Patents

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EP0337846B1
EP0337846B1 EP89400888A EP89400888A EP0337846B1 EP 0337846 B1 EP0337846 B1 EP 0337846B1 EP 89400888 A EP89400888 A EP 89400888A EP 89400888 A EP89400888 A EP 89400888A EP 0337846 B1 EP0337846 B1 EP 0337846B1
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stainless steel
heat treatment
copper
austeno
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Jacques Charles
Pierre Soulignac
Daniel Catelin
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Creusot Loire Industrie SA
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Creusot Loire Industrie SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper

Definitions

  • the present invention relates to an austenitic-ferritic stainless steel.
  • Austeno-ferritic stainless steels are known having good mechanical properties, good corrosion resistance and good weldability.
  • Patent application EP 0.156.778 thus describes an austenitic-ferritic stainless steel alloy whose austenitic phase remains stable allowing cold deformation between 10 and 30%, good weldability and good corrosion resistance.
  • Patent application GB-A-1 456 634 discloses an austeno-ferritic steel with the composition in percentage by weight: 0.01-0.1% C, 0.2-2% Si, 0.2-4% Mn, 23-30% Cr, 4 -7% Ni, 0.06-0.4% N, 1-5% Mo, 1.3-4% Cu, the balance being Fe.
  • the copper content allows an improvement in resistance to rupture and corrosion.
  • the object of the present invention is to produce an austeno-ferritic alloy whose corrosion resistance is improved compared to existing alloys and which has a high machinability index.
  • Such an alloy has a low percentage of molybdenum but a high copper content, the latter being dissolved by heat treatment above 900 ° C. and followed by rapid cooling to ambient, the composition of this alloy being the next, expressed as a percentage by weight. the balance being Fe.
  • the composition is balanced to obtain between 38 and 70% of ferrite at 300 K (27 ° C).
  • compositions have been summarized as elements of addition to Fe for the alloys A and B according to the invention and the known alloys.
  • the alloys of the invention are produced by melting to a minimum of 1600 ° C. and reheated to approximately 1180 ° C. after solidification. They undergo sheet metal rolling. Samples are taken in order to determine the structural stability as a function of the heat treatments and more particularly the hardening, the mechanical and physical characteristics, the corrosion resistance as well as the aptitude for machinability.
  • Carbon is reduced to lower lower contents to 0.06% in order to reduce the risks of carbide formation during heat treatments which would be detrimental to the resistance to certain forms of corrosion.
  • the silicon is reduced to low contents lower than 1.2% in order to reduce the risks of formation of intermetallic compounds which weaken the alloy.
  • Manganese makes it possible to increase the solid dissolution of nitrogen in the alloy but its content must be limited to 3% so as not to become detrimental to the resistance to generalized and localized corrosion in certain cases.
  • the chromium is controlled so that the volume fractions of the ferritic and austenitic phases are close. Too low a content does not allow a sufficient volume fraction of ferrite to be obtained.
  • Too high a content may require significant additions of nickel and nitrogen, which, given the price of nickel, should be avoided.
  • the alloy has an increased tendency to precipitate embrittling intermetallic phases during heat treatments.
  • chromium contents between 21 and 25% are used, more precisely a content of 23.5%. At such a percentage, the alloy has excellent corrosion resistance.
  • Such a chromium content associated with a low nickel and molybdenum content makes it possible to avoid, even for heat treatments of a few hours, the formation of an ⁇ 'phase, by demixing of the ⁇ phase, hardening and embrittling.
  • Nickel is an element which stabilizes the austenitic phase so as to optimize the austenite / ferrite balance. Given its price, its addition is limited to 3 to 6%, in particular 4.2%. Nitrogen is involved in maintaining the austenite / ferrite balance and, moreover, such an addition makes it possible to increase the mechanical characteristics and the resistance to pitting corrosion. The addition of nitrogen is limited to 0.30 and often close to 0.13%.
  • Molybdenum is limited to a percentage of 1% maximum so as to reduce the manufacturing costs of the alloy and limit the formation of intermetallic phases. Molybdenum improves the corrosion resistance of the alloy.
  • Copper unlike known alloys, is present in relatively large percentages between 1 and 3.5%. This element is generally present in small quantities in known alloys because its solubility in austeno-ferritic alloys during cooling is limited.
  • This hardening is proportional for a heat treatment given to the copper content.
  • hardened alloy B it is alloy B which has been subjected to a heat treatment of 5 h at 400 ° C.
  • the alloys according to the invention have improved mechanical properties, in particular the values of the conventional elastic limit (Re 0.2%) and the elastic limit at 1% (Re 1%) while retaining a resilience value on a V-notch test piece (KCV) and sufficient ductility (Elongation A).
  • the machinability index of the alloys according to the invention is significantly improved compared to known alloys and in particular to the alloy of patent application EP 0.156.778.
  • the three parameters studied are Brinnel hardness (HB), the machinability index for a cutting speed of 0.5 m / min and a drilling test in number of holes corresponding to a cumulative length of 500mm (0.5 m).
  • the known alloys have hardness values which frame the hardness value of sample A of the alloy according to the invention and all of the two machinability tests clearly show performance. of alloy A.
  • the starting potential is -600 mV relative to a saturated calomel electrode (DHW) and for a scanning speed of 0.25 mV / sec.
  • the return was made for a current of 100 ⁇ A up to -1100 mV / DHW.
  • the passivation current Ip is reduced while the breaking potential is increased, which makes it possible to extend the field of use of the alloy according to the invention in terms of redox potential.
  • the alloy according to the invention solves the problem posed, by improving the mechanical characteristics, the machinability without these improvements being detrimental to the qualities of corrosion resistance.
  • the Cu content must be limited to 3.5% in order to avoid the major risks of tearing of products during processing.

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Description

  • La présente invention a pour objet un acier inoxydable austéno-ferritique.
  • On connaît des aciers inoxydables austéno-ferritiques ayant de bonnes propriétés mécaniques, une bonne résistance à la corrosion et une bonne soudabilité.
  • De tels alliages comprennent, outre le fer qui constitue le solde, du
    • chrome et du molybdène de façon à améliorer les propriétés résistance à la corrosion ;
    • nickel et azote de façon à améliorer la stabilité de la phase austénitique ;
    • carbone en faible pourcentage car il affecte la résistance à la corrosion compte tenu de sa faible solubilité dans la ferrite ;
    • silicium ;
    • manganèse.
  • La demande de brevet EP 0.156.778 décrit ainsi un alliage d'acier inoxydable austéno-ferritique dont la phase austénitique reste stable autorisant des déformations à froid entre 10 et 30 %, une bonne soudabilité et une bonne résistance à la corrosion.
  • La composition d'un tel alliage est la suivante :
    Figure imgb0001

    le solde étant du Fe, les composés ci-dessus devant répondre par ailleurs aux conditions suivantes :
    • pourcentage de ferrite α entre 35 et 65
    • pourcentage de ferrite α < 0,20 (% Cr/% N) + 23
    • (% Cr + % Mn)/% N > 120.
    • 22,4 x % Cr + 30 x % Mn + 22 x Mo + 26 % Cu + 110 x % N > 540.
    • % Mo + % Cu > 0,15 avec % Cu d'au moins 0,005 %.
  • De tels alliages ont une phase austénitique stable qui n'a pas tendance à se transformer en martensite mais ils sont difficilement usinables et leurs propriétés mécaniques restent faibles. La demande de brevet GB-A-1 456 634 divulgue un acier austéno-ferritique à la composition en pourcentage en poids : 0.01-0.1 % C, 0.2-2 % Si, 0.2-4 % Mn, 23-30 % Cr, 4-7 % Ni, 0.06-0.4 % N, 1-5 % Mo, 1.3-4 % Cu, le solde étant du Fe. La teneur en cuivre permet une amélioration de la résistance à la rupture et à la corrosion.
  • La présente invention a pour but la réalisation d'un alliage austéno-ferritique dont la tenue à la corrosion est améliorée par rapport aux alliages existants et qui présente un indice élevé d'usinabilité.
  • Un tel alliage possède un faible pourcentage de molybdène mais une forte teneur en cuivre, ce dernier étant mis en solution par traitement thermique au-dessus de 900°C et suivi d'un refroidissement rapide à l'ambiante, la composition de cet alliage étant la suivante, exprimée en pourcentage en poids.
    Figure imgb0002

    le solde étant du Fe. La composition est équilibrée pour obtenir entre 38 et 70 % de ferrite à 300 K (27°C).
  • D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation particuliers de l'alliage selon l'invention, la figure unique annexée représentant les domaines de durcissement de l'alliage dans un diagramme temps, température.
  • Deux alliages particuliers A et B sont analysés comparativement à des alliages de composition connue, notamment l'UNS 32304 correspondant à l'alliage décrit dans la demande de brevet EP 0.156.778.
    Figure imgb0003
  • Dans le tableau ci-dessus, on a récapitulé les compositions en éléments d'addition au Fe pour les alliages A et B selon l'invention et les alliages connus.
  • Les alliages de l'invention sont réalisés par fusion jusqu'à 1600°C minimum et réchauffés à 1180°C environ après solidification. Ils subissent un laminage en tôles. Des prélèvements sont effectués afin de déterminer la stabilité structurale en fonction des traitements thermiques et plus particulièrement le durcissement, les caractéristiques mécaniques et physiques, la résistance à la corrosion ainsi que l'aptitude à l'usinabilité.
  • Au préalable, il est nécessaire d'étudier l'influence des différents éléments d'addition.
    Le carbone est réduit à de faibles teneurs inférieures à 0,06 % afin de réduire les risques de formation de carbures au cours des traitements thermiques ce qui serait préjudiciable à la résistance à certaines formes de corrosion.
    Le silicium est réduit à de faibles teneurs inférieures à 1,2 % afin de réduire les risques de formation de composés intermétalliques qui fragilisent l'alliage.
    Le manganèse permet d'augmenter la mise en solution solide de l'azote dans l'alliage mais sa teneur doit être limitée à 3 % pour ne pas devenir préjudiciable à la tenue à la corrosion généralisée et localisée dans certains cas.
    Le chrome est contrôlé de façon à ce que les fractions volumiques des phases ferritiques et austénitiques soient voisines. Une teneur trop faible ne permet pas d'obtenir une fraction volumique de ferrite suffisante.
  • Une teneur trop élevée peut nécessiter des additions importantes de nickel et d'azote, ce qui, compte tenu du prix du nickel, doit être évité. De plus, l'alliage a une tendance accrue à la précipitation de phases intermétalliques fragilisantes lors des traitements thermiques.
  • Aussi de façon classique on utilise on utilise des teneurs en chrome comprises entre 21 et 25 %, plus exactement une teneur de 23,5 %. A un tel pourcentage, l'alliage a une excellente résistance à la corrosion.
  • Une telle teneur en chrome associée à une faible teneur en nickel et molybdène permet d'éviter, même pour des traitements thermiques de quelques heures, la formation d'une phase α', par démixtion de la phase α, durcissante et fragilisante. La formation d'une telle phase α' intervient lors de traitements thermiques entre 300 et 500°C.
    Le nickel est un élément qui stabilise la phase austénitique de façon à optimiser l'équilibre austénite/ferrite. Compte tenu de son prix on limite son addition entre 3 et 6 % plus particulièrement 4,2 %.
    L'azote intervient pour maintenir l'équilibre austénite/ferrite et de plus une telle addition permet d'accroître les caractéristiques mécaniques et la tenue à la corrosion par piqûres. L'addition de l'azote est limitée à 0,30 et souvent voisine de 0,13 %.
  • Le molybdène est limité à un pourcentage de 1 % maximum de façon à réduire les coûts de fabrication de l'alliage et à limiter la formation de phases intermétalliques. Le molybdène améliore la tenue à la corrosion de l'alliage.
  • Le cuivre, contrairement aux alliages connus, est présent dans des pourcentages relativement importants entre 1 et 3,5 %. Cet élément est généralement présent en faible quantité dans les alliages connus car sa solubilité dans les alliages austéno-ferritiques lors du refroidssement est limitée.
  • Par contre, selon l'invention, une mise en solution par traitement thermique à haute température à des températures supérieures à 900°C est possible. Cette étape doit être suivie d'un refroidissement rapide à l'ambiante de façon à ce que la structure austénite/ferrite soit exempte de précipitation et reste sursaturée en cuivre. Le cuivre : - augmente la tenue de l'alliage vis-à-vis de certains milieux acides notamment les milieux sulfuriques.
       - améliore l'aptitude à l'usinabilité.
  • On a étudié la stabilité structurale de l'alliage B en fonction du temps et de la température ainsi que représenté à la figure en annexe.
  • Dans l'intervalle 300-600°C, un durcissement important de l'alliage se produit par précipitation de particules enrichies en cuivre dans la phase ferritique de l'alliage.
  • Ce durcissement est proportionnel pour un traitement thermique donné à la teneur en cuivre.
  • Par contre il y a un retard à la précipitation pour les maintiens à 700°-900°C dû à la stabilité de la phase ferritique vis-à-vis de la phase intermétallique, conférée par la très faible teneur en molybdène.
  • Les propriétés mécaniques sont récapitulées dans le tableau ci-dessous
    Figure imgb0004
  • Quant à l'alliage B durci, il s'agit de l'alliage B auquel on a fait subir un traitement thermique de 5 h à 400°C.
  • Les alliages selon l'invention possèdent des propriétés mécaniques améliorées notamment les valeurs de la limite d'élasticité conventionnelle (Re 0,2 %) et de la limite d'élasticité à 1 % (Re 1 %) tout en conservant une valeur de la résilience sur éprouvette à entaille en V (KCV) et une ductilité (Allongement A) suffisantes.
  • Quant à la dureté, elle augmente sensiblement notamment après traitement thermique.
  • L'indice d'usinabilité des alliages selon l'invention est amélioré de façon notable comparé aux alliages connus et notamment à l'alliage de la demande de brevet EP 0.156.778.
  • Les résultats sont récapitulés dans le tableau suivant :
    Figure imgb0005
  • Les trois paramètres étudiés sont la dureté Brinnel (HB), l'indice d'usinabilité pour une vitesse de coupe de 0,5 m/mn et un essai de perçage en nombre de trous correspondant à une longueur cumulée de 500mm (0,5 m).
  • Les alliages connus ont des valeurs de dureté qui encadrent la valeur de dureté de l'échantillon A de l'alliage selon l'invention et l'ensemble des deux tests d'usinabilité montre des performances netement supérieures de l'alliage A.
  • Les essais de corrosion montrent que les avantages acquis ne le sont pas au détriment de la résistance à la corrosion.
  • Les mesures récapitulées dans le tableau ci-dessous ont été obtenues en milieux acides (H₂SO₄ à 50°C).
    Figure imgb0006
  • Pour l'obtention des courbes de polarisation qui ont conduit à ces résultats, le potentiel de départ est de -600 mV par rapport à une électrode au calomel saturé (ecs) et pour une vitesse de balayage de 0,25 mV/sec. Le retour a été réalisé pour un courant de 100 µA jusqu'à -1100 mV/ecs.
  • Le courant de passivation Ip est réduit tandis que le potentiel de rupture est augmenté ce qui permet d'étendre le domaine d'emploi de l'alliage selon l'invention en matière de potentiel d'oxydo réduction.
  • Ceci est également dû au cuivre ce qui est confirmé par la résistance de l'alliage B après traitement thermique dans un milieu acide en présence de particules abrasives de diamètre 0,5 ; 1,19 et 2,38 mm (cf tableau ci-dessous) :
  • Résultat de perte de poids (mg) 8 h H₂SO₄ (2N)
    Figure imgb0007
  • L'alliage selon l'invention résoud le problème posé, en améliorant les caractéristiques mécaniques, l'usinabilité sans que ces améliorations soient préjudiciables aux qualités de résistance à la corrosion.
  • Les améliorations des qualités de cet alliage lui sont conférées par l'augmentation du pourcentage en cuivre et la solubilisation ou la précipitation partielle de ce dernier.
  • Ces résultats sont remarquables compte-tenu du fait que les alliages connus notamment UNS 32304 préconisent des pourcentages Cu + Mo = 1 % dans un mode de réalisation préféré.
  • Néanmoins, dans l'alliage selon l'invention, la teneur en Cu doit être limitée à 3,5 % afin d'éviter les risques majeurs de déchirures de produits lors de la mise en oeuvre.
  • Dans cette fourchette de 1 à 3,5 %, l'homme de l'art adaptera le pourcentage en fonction de l'utilisation de l'alliage.
  • De même des additions complémentaires connues permettent d'augmenter l'usinabilité telles que soufre, bismuth.

Claims (6)

  1. Alliage d'acier inoxydable austéno-ferritique ayant une très bonne tenue à la corrosion et un bon indice d'usinabilité comportant une faible teneur en molybdène et une forte teneur en cuivre mis en solution par traitement thermique de l'alliage au-dessus de 900°C et suivi d'un refroidissement rapide à l'ambiante, la composition étant la suivante :
    Figure imgb0008
    le solde étant du fer.
  2. Alliage d'acier inoxydable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a la composition suivante :
       C = 0,02 % en poids
       Si = 0,6
       Mn = 1,9
       Ni = 4,1
       Cr = 23,5
       Mo = 0,13
       N = 0,1
       Cu = 1,6.
  3. Alliage d'acier inoxydable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a la composition suivante :
       C = 0,02
       Si = 0,5
       Mn = 2
       Ni = 3,9
       Cr = 24,3
       Mo = 0,14
       N = 0,09
       Cu = 2,8.
  4. Alliage d'acier inoxydable selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cuivre est solubilisé par une fusion à 1600°C minimum suivi d'un retraitement à 1180°C après solidification.
  5. Alliage d'acier selon la revendication 4, caractérisé en ce que, de façon à précipiter partiellement le cuivre solubilisé, l'alliage subit un traitement thermique entre 300 et 500°C.
  6. Alliage d'acier inoxydable selon la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement thermique est de 5 heures à 400°C.
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FI891783A (fi) 1989-10-16
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