EP1818421A1 - Ferritic, niobium-stabilised 19% chromium stainless steel - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a ferritic stainless steel, said to be 19% Niobium stabilized Cr, and its use for parts subjected to high temperatures, in particular above 950-1000.degree.
- a good resistance to oxidation and a good mechanical resistance at high temperature are simultaneously sought: high mechanical characteristics, good resistance to creep and to thermal fatigue.
- the high-temperature mechanical behavior must also be adapted to the thermal cycles associated with the accelerator-deceleration phases of the engines.
- some parts such as exhaust manifolds require good cold formability to be shaped by bending or hydroforming.
- the present invention aims to solve the problems mentioned above.
- it aims to provide a stainless steel ferritic which has good heat resistance, ie high creep, thermal fatigue and oxidation resistance at periodic temperatures above 950 ° C and Cold shaping close to existing shades.
- the subject of the invention is a ferritic stainless steel stabilized with niobium, the composition of which comprises the contents being expressed by weight: C ⁇ 0.03%, Mn ⁇ 1%, 0.3 ⁇ Si ⁇ 1% , S ⁇ 0.01%, P ⁇ 0.04%, 18% ⁇ Cr ⁇ 22%, Ni ⁇ 0.5%, Mo ⁇ 2.5%, Cu ⁇ 0.5%, Ti ⁇ 0.02% , Zr ⁇ 0.02%, Al ⁇ 0.02%, 0.2% ⁇ Nb ⁇ 1%, V ⁇ 0.2%, N ⁇ 0.03%, 0.005% ⁇ Co ⁇ 0.05%, Sn ⁇ 0.05%, the remainder of the composition consisting of iron and unavoidable impurities resulting from the elaboration, the titanium, aluminum and zirconium contents satisfying the relationship: Ti + Al + Zr ⁇ 0.030%, the silicon and chromium contents satisfying the relationship: Cr + 5 Si ⁇ 20%, the contents of niobium, carbon, nitrogen and molybdenum satisfying the relation: Mo + 3 (Nb-7C-7N
- the steel contains an intergranular precipitation comprising at least 80% of cubic Fe 2 Nb 3 compounds.
- the linear fraction f of ferritic grain boundaries exhibiting a precipitation of cubic Fe 2 Nb 3 compounds is greater than or equal to 5%.
- the structure is entirely recrystallized and the average ferritic grain size of the steel is between 10 and 60 micrometers.
- the invention also relates to the use of a steel according to the characteristics described above, or manufactured by the method described above, for the manufacture of parts subjected to a periodic operating temperature greater than 950 ° C. , and in particular automobile exhaust gas exhaust manifolds, burners, heat exchangers, turbocharger casings, or boilers.
- carbon increases mechanical characteristics at high temperatures, in particular creep resistance.
- the carbon tends to precipitate in the form of carbides M 23 C 6 or M 7 C 3 at a temperature below about 900 ° C.
- This precipitation usually located at the grain boundaries can lead to a depletion of chromium in the vicinity of these joints and thus to an awareness of intergranular corrosion.
- This sensitization can occur especially in the Heat Affected Zones in welding that have been heated to very high temperatures.
- the carbon content must therefore be limited to 0.03% to obtain a satisfactory resistance to intergranular corrosion and not to reduce the formability.
- the carbon content must satisfy a relationship with molybdenum, niobium and nitrogen, as will be explained later.
- chromium is a very effective element for increasing the resistance to oxidation during thermal cycling. To fulfill this role, a minimum content of 0.3% by weight is necessary. The inventors have also demonstrated that the weight contents of chromium and silicon must obey the relationship: Cr + 5 Si ⁇ 20%, so as to obtain good resistance to cyclic oxidation at 1000 ° C.
- the silicon content must be limited to 1% by weight.
- Sulfur and phosphorus are impurities that decrease hot ductility and formability. Phosphorus easily segregates at grain boundaries and decreases cohesion. As such, the sulfur and phosphorus contents must be respectively less than or equal to 0.01 and 0.04% by weight.
- Chromium is an essential element for stabilizing the ferritic phase and increasing the resistance to oxidation.
- its minimum content must be greater than or equal to 18% in order to obtain a ferritic structure at any temperature and to obtain good resistance to cyclic oxidation. Its maximum content must not, however, exceed 22%, otherwise the mechanical resistance to the ambient temperature will be excessively increased and the fitness ability will be reduced consecutively.
- Nickel is a gamma element that increases the ductility of steel. In order to maintain a ferritic single-phase structure, its content must be less than or equal to 0.5% by weight.
- Molybdenum not only increases the high temperature resistance but also the resistance to oxidation. However, above 2.5% by weight of Mo, the yield strength and room temperature resistance are excessively increased, ductility and workability decrease. As will be discussed below, molybdenum must also satisfy a relationship with niobium, carbon and nitrogen, to obtain satisfactory mechanical strength and creep resistance at 1000 ° C and fatigue resistance. between 100 ° C and 1000 ° C.
- Copper has a heat-curing effect. In excessive quantities, however, it reduces the ductility during hot rolling. As such, the copper content must be less than or equal to 0.5% by weight.
- the inventors have demonstrated that the contents of titanium, aluminum and zirconium must be jointly limited in order to obtain a more intense precipitation of cubic Fe 2 Nb 3 : this precipitation of intermetallic compounds operating at high temperature makes it possible to obtain good resistance to cyclic oxidation and creep at 1000 ° C.
- the weight contents of Ti, Zr, Al must be limited to 0.02% each, and the sum of their contents must be such that: Ti + Al + Zr 0,0 0.030%.
- niobium precipitates, not in the form of Fe 2 Nb 3 , but from 650 ° C in the form of Fe 2 Nb compounds, less effective to resist creep.
- Niobium is an important element of the invention. Usually, this element can be used as a stabilizing element in ferritic stainless steels: in fact, the sensitization phenomenon mentioned above can be avoided by the addition of elements forming carbides or carbonitrides which are very thermally stable. In this way, carbon and nitrogen are minimized in solution, and subsequent precipitation of carbides and nitrides of chromium is avoided. Niobium (as well as titanium and, to a lesser extent, zirconium and vanadium) thus stably fixes carbon and nitrogen.
- niobium content is greater than 1% by weight, the hardening obtained is too important, the steel is less easily deformable and recrystallization after cold rolling is more difficult .
- Vanadium is an element that increases resistance to high temperature. In order to ensure satisfactory adhesion of the oxide layer formed during use at high temperature and to ensure good resistance to oxidation, the inventors have shown that the titanium and vanadium contents must satisfy the relationship: V +10 Ti ⁇ 0.06%. However, the vanadium content should be limited to 0.2% in order not to reduce the formability.
- nitrogen increases the mechanical characteristics. However, nitrogen tends to precipitate at grain boundaries in the form of nitrides, thus reducing the corrosion resistance. In order to limit sensitization problems, the nitrogen content must be less than or equal to 0.03%.
- Cobalt is a hot-curing element that degrades formability:
- its content must be between 0.005% and 0.05% by weight.
- the tin content In order to avoid hot forgeability problems, the tin content must be less than or equal to 0.05%.
- the average grain size of the steel in the delivery state is between 10 and 60 micrometers, the subsequent precipitation of intermetallic compounds also making it possible to stabilize the grain size during use.
- a grain size of less than 10 microns has a detrimental effect on intergranular creep.
- a grain size greater than 60 microns will lead to the appearance of unsightly surface irregularities, or "orange peel", when shaping at room temperature.
- the steels according to the invention comprise an intergranular precipitation of Fe 2 Nb 3 compounds of cubic structure after a heat treatment of between 650 ° C. and 1050 ° C. for a time greater than 30 minutes.
- the Fe 2 Nb 3 precipitates are very much in the majority of the intergranular precipitates, that is to say they represent more than 80% of the intergranular population.
- the nature and distribution of these precipitates are very favorable to resist creep, in comparison with Fe 2 Nb precipitates, or Laves phases.
- the Fe 2 Nb compounds that precipitate in intra- or intergranular form are stable only up to 950 ° C., unlike stable Fe 2 Nb 3 precipitates up to 1050 ° C.
- the structure of the steel in the delivery state is completely recrystallized: in this way, the subsequent precipitation of the Fe 2 Nb 3 compounds occurs in a very homogeneous manner.
- the expression f thus translates the degree of recovery of ferritic grain boundaries by a precipitation of cubic Fe 2 Nb 3 .
- the inventors have demonstrated, as shown in FIG. 2, that the creep resistance during a so-called "sag-test" test was very much improved when the linear fraction of cubic Fe 2 Nb 3 precipitates was greater than or equal to at 5%: under these conditions, these precipitates play a very effective role of anchoring joints and slow creep.
- the sheet is then scoured and the sheet is then rolled under the usual conditions, for example by applying a reduction ratio of 30 to 90%.
- the cold-rolled sheet is then annealed at a temperature T R and for a time t R.
- T R and t R are chosen such that a complete recrystallization with an average ferritic grain size of between 10 and 60 microns is obtained.
- An increase in T R and t R increases the recrystallization rate as well as the average grain size.
- the steel sheet is in the delivery condition.
- a part can then be manufactured from this sheet steel by implementing common modes of deformation, such as stamping, hydroforming or folding.
- common modes of deformation such as stamping, hydroforming or folding.
- one or more thermal cycles in a temperature range between 650 and 1050 ° C for a cumulative time greater than 30 minutes lead to a precipitation of Fe 2 Nb 3 and an increase of creep resistance.
- This resistance is particularly high when the linear fraction f of ferritic grain boundaries comprising a precipitation of Fe 2 Nb 3 compounds is greater than or equal to 5%.
- FIG. 3 illustrates the precipitates observed after creep tests at 1000 ° C. in the flows I1, I2, I3 and I4 according to the invention.
- the presence of intra- and especially intergranular precipitates covering a large part of the ferritic grain boundaries is noted.
- Analyzes by energy dispersive spectrometry (EDS) and wavelength (WDS) reveal that more than 80% of these precipitates consist of niobium and iron, of Fe 2 Nb 3 stoichiometry, and that they do not contain neither carbon nor nitrogen.
- EDS energy dispersive spectrometry
- WDS wavelength
- Figure 6 shows precipitates observed in the reference steels R3, R4 and R5.
- the degree of recovery of the ferritic grain boundaries by these precipitates is very low after creep tests at 1000 ° C.
- Experimental electron diffraction patterns and theoretical views along the zone axis of these precipitates are given in Figures 7 and 8, respectively.
- the EDS analysis and the diffraction studies reveal that they are Fe 2 Nb precipitates. , or phase of Laves, of hexagonal network.
- the steels I1 to I4 according to the invention combine good mechanical properties when hot: mechanical resistance, resistance to creep, thermal fatigue and cyclic oxidation.
- the R1 and R2 steels have a combination of insufficient titanium and vanadium: the resistances to cyclic oxidation and thermal fatigue are unsatisfactory due to the lack of adhesion of the oxide layers to the substrate steel.
- R5 steel also has an excessive titanium content and a combination (Ti + Al + Zr) unsatisfactory. Moreover, its combination: Mo + 3 ⁇ Nb, is insufficient. As a result, the steel does not exhibit satisfactory mechanical properties at high temperature, in particular creep.
- R6 steel has an insufficient chromium content as well as combinations: Mo + 3 ⁇ Nb, Cr + 5% Si insufficient. Despite the presence of Fe 2 Nb 3 compounds, the properties of oxidation resistance and high temperature mechanical properties are insufficient.
- the steels according to the invention will be used with advantage for the manufacture of parts subjected to a periodic operating temperature greater than 950 ° C., and in particular of combustion gas exhaust manifolds in the automobile field, of burners, of Heat exchangers or envelopes of turbochargers, boilers.
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Abstract
Description
L'invention concerne un acier inoxydable ferritique, dit à 19%Cr stabilisé au niobium, et son utilisation pour des pièces soumises à des températures élevées, en particulier à plus de 950-1000°C.The invention relates to a ferritic stainless steel, said to be 19% Niobium stabilized Cr, and its use for parts subjected to high temperatures, in particular above 950-1000.degree.
Pour certaines applications telles que les pièces situées dans les parties chaudes des lignes d'échappement pour l'automobile, on recherche simultanément une bonne résistance à l'oxydation et une bonne tenue mécanique à haute température : caractéristiques mécaniques élevées, bonnes tenues au fluage et à la fatigue thermique. La tenue mécanique à haute température doit être également adaptée aux cycles thermiques associés aux phases d'accélérations-décélérations des moteurs. En outre, certaines parties telles que les collecteurs des gaz d'échappement requièrent une bonne formabilité à froid pour être mises en forme par pliage ou par hydroformage.For certain applications such as the parts located in the hot parts of the exhaust lines for the automobile, a good resistance to oxidation and a good mechanical resistance at high temperature are simultaneously sought: high mechanical characteristics, good resistance to creep and to thermal fatigue. The high-temperature mechanical behavior must also be adapted to the thermal cycles associated with the accelerator-deceleration phases of the engines. In addition, some parts such as exhaust manifolds require good cold formability to be shaped by bending or hydroforming.
Différentes nuances d'aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques ont été proposées pour répondre aux exigences spécifiques des différentes zones de la ligne d'échappement. On a noté en particulier un développement de certaines nuances d'aciers inoxydables ferritiques : Ceci est dû à leur coût moins élevé que celui des aciers austénitiques ou réfractaires, ainsi qu'à leur meilleure tenue à l'oxydation cyclique, ce dernier point résultant d'une différence de coefficient de dilatation entre l'acier et la couche superficielle d'oxydes moindre pour les aciers ferritiques que pour les aciers austénitiques. On connaît ainsi des aciers inoxydables ferritiques à 17%Cr stabilisés avec 0,14% de titane et 0,5% de niobium (type EN 1.4509, AISI 441) Ce type de nuances n'est cependant pas adapté aux parties les plus chaudes des lignes d'échappement lorsque les températures sont supérieures à 950°C, car leur résistance au fluage est insuffisante et l'oxydation à haute température se produit de façon excessive. On connaît également des aciers inoxydables ferritiques à 14%Cr stabilisés avec 0,5% de niobium sans titane (type EN 1.4595). Ceux-ci présentent une tenue à haute température équivalente à celle des nuances précédentes, mais une meilleure aptitude à la mise en forme. Cependant la température maximale d'utilisation reste 950°C.Various grades of austenitic or ferritic stainless steels have been proposed to meet the specific requirements of different zones of the exhaust line. In particular, a development of certain grades of ferritic stainless steels has been noted: This is due to their lower cost than that of austenitic or refractory steels, as well as to their better resistance to cyclic oxidation, the latter point resulting from a difference in coefficient of expansion between steel and the lower oxide surface layer for ferritic steels than for austenitic steels. Ferritic stainless steels containing 17% Cr stabilized with 0.14% titanium and 0.5% niobium (type EN 1.4509, AISI 441) are thus known. This type of shade is however not adapted to the hottest parts of Exhaust lines when temperatures are above 950 ° C, as their creep resistance is insufficient and high temperature oxidation occurs excessively. Ferritic stainless steels containing 14% Cr stabilized with 0.5% niobium without titanium (type EN 1.4595) are also known. These have a high temperature behavior equivalent to that of previous grades, but a better fitness. However, the maximum temperature of use remains 950 ° C.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes évoqués ci-dessus. Elle vise en particulier à mettre à disposition un acier inoxydable ferritique qui présente une bonne tenue à chaud, c'est-à-dire une résistance élevée au fluage, à la fatigue thermique et à l'oxydation à des températures d'utilisation périodique supérieures à 950°C ainsi qu'une aptitude à la mise en forme à froid proche des nuances existantes.The present invention aims to solve the problems mentioned above. In particular, it aims to provide a stainless steel ferritic which has good heat resistance, ie high creep, thermal fatigue and oxidation resistance at periodic temperatures above 950 ° C and Cold shaping close to existing shades.
Dans ce but, l'invention a pour objet un acier inoxydable ferritique stabilisé au niobium, dont la composition comprend, les teneurs étant exprimées en poids : C ≤ 0,03%, Mn≤1%, 0,3≤Si≤1%, S≤0,01%, P≤0,04%, 18%≤ Cr ≤22%, Ni ≤0,5%, Mo ≤2,5%, Cu≤0,5%, Ti≤0,02%, Zr≤0,02%, Al≤0,02%, 0,2%≤Nb≤1%, V≤0,2%, N ≤ 0,03%, 0,005% ≤Co≤ 0,05%, Sn≤0,05%, le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration, les teneurs en titane, aluminium et en zirconium satisfaisant à la relation : Ti + Al + Zr ≤ 0,030%, les teneurs en silicium et chrome satisfaisant à la relation : Cr + 5 Si ≥ 20%, les teneurs en niobium, carbone, azote et molybdène satisfaisant à la relation : Mo+3 ( Nb- 7C- 7N) ≥ 1,5%, les teneurs en titane et en vanadium satisfaisant à la relation : V +10 Ti ≥ 0,06%.For this purpose, the subject of the invention is a ferritic stainless steel stabilized with niobium, the composition of which comprises the contents being expressed by weight: C ≤ 0.03%, Mn≤1%, 0.3≤Si≤1% , S≤0.01%, P≤0.04%, 18% ≤ Cr ≤22%, Ni ≤0.5%, Mo ≤2.5%, Cu≤0.5%, Ti≤0.02% , Zr≤0.02%, Al≤0.02%, 0.2% ≤Nb≤1%, V≤0.2%, N ≤ 0.03%, 0.005% ≤Co≤0.05%, Sn ≤0.05%, the remainder of the composition consisting of iron and unavoidable impurities resulting from the elaboration, the titanium, aluminum and zirconium contents satisfying the relationship: Ti + Al + Zr ≤ 0.030%, the silicon and chromium contents satisfying the relationship: Cr + 5 Si ≥ 20%, the contents of niobium, carbon, nitrogen and molybdenum satisfying the relation: Mo + 3 (Nb-7C-7N) ≥ 1.5%, the titanium and vanadium contents satisfying the relationship: V +10 Ti ≥ 0.06%.
Préférentiellement, l'acier contient une précipitation intergranulaire comprenant au moins 80% de composés Fe2Nb3 cubiques.Preferably, the steel contains an intergranular precipitation comprising at least 80% of cubic Fe 2 Nb 3 compounds.
Préférentiellement encore, la fraction linéaire f de joints de grains ferritiques présentant une précipitation de composés Fe2Nb3 cubiques, est supérieure ou égale à 5%.Also preferably, the linear fraction f of ferritic grain boundaries exhibiting a precipitation of cubic Fe 2 Nb 3 compounds is greater than or equal to 5%.
Selon un mode préféré, la structure est entièrement recristallisée et la taille moyenne de grain ferritique de l'acier est comprise entre 10 et 60 micromètres.According to a preferred embodiment, the structure is entirely recrystallized and the average ferritic grain size of the steel is between 10 and 60 micrometers.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un acier inoxydable ferritique, stabilisé au niobium, selon lequel :
- on approvisionne un acier de composition ci-dessus,
- on procède à la coulée d'un demi-produit à partir de cet acier,
- on porte le demi-produit à une température supérieure à 1000°C,
- on lamine à chaud le demi-produit de façon à obtenir une tôle laminée à chaud,
- on lamine à froid la tôle, puis
- on recuit la tôle laminée à froid à une température TR et pendant une durée tR, les paramètres TR et tR étant choisis de telle sorte que l'on obtienne une structure complètement recristallisée avec une taille de grain comprise entre 10 et 60 micromètres.
- supplying a steel of composition above,
- a semi-finished product is cast from this steel,
- the semi-finished product is heated to a temperature greater than 1000 ° C.
- the semi-finished product is hot-rolled so as to obtain a hot-rolled sheet,
- the sheet is cold rolled, then
- the cold-rolled sheet is annealed at a temperature T R and for a time t R , the parameters T R and t R being chosen so that one obtains a completely recrystallized structure with a grain size between 10 and 60 micrometers.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'un acier selon les caractéristiques décrites ci-dessus, ou fabriqué par le procédé décrit ci-dessus, pour la fabrication de pièces soumises à une température d'utilisation périodique supérieure à 950°C, et notamment de collecteurs d'échappement de gaz de combustion dans le domaine automobile, de brûleurs, d'échangeurs à chaleur, d'enveloppes de turbocompresseurs, ou de chaudières.The invention also relates to the use of a steel according to the characteristics described above, or manufactured by the method described above, for the manufacture of parts subjected to a periodic operating temperature greater than 950 ° C. , and in particular automobile exhaust gas exhaust manifolds, burners, heat exchangers, turbocharger casings, or boilers.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description ci-dessous donnée à titre d'exemple et faite en référence aux figures jointes suivantes :
- La figure 1 définit schématiquement la fraction linéaire f de joints de grains ferritiques comportant une précipitation de Fe2Nb3 cubiques.
- La figure 2 présente l'influence de la fraction f sur le comportement en fluage.
- La figure 3 présente une observation en Microscopie Electronique en Transmission de précipités cubiques Fe2Nb3 dans une tôle laminée à froid et recuite d'un acier selon l'invention après traitement de 100h à 1000°C.
- Les figures 4 et 5 présentent respectivement des clichés de diffraction électronique et des clichés théoriques selon l'axe de zone de ces précipités Fe2Nb3.
- La figure 6 présente une observation en Microscopie Electronique en Transmission de précipités hexagonaux Fe2Nb dans une tôle laminée à froid et recuite d'un acier de référence après traitement de 100h à 1000°C.
- Les figures 7 et 8 présentent respectivement des clichés de diffraction électronique et des clichés théoriques selon l'axe de zone de ces précipités Fe2Nb.
- FIG. 1 schematically defines the linear fraction f of ferritic grain boundaries comprising a precipitation of cubic Fe 2 Nb 3 .
- Figure 2 shows the influence of fraction f on creep behavior.
- FIG. 3 shows an observation in Transmission Electron Microscopy of cubic Fe 2 Nb 3 precipitates in a cold-rolled and annealed sheet of a steel according to the invention after treatment of 100 h at 1000 ° C.
- FIGS. 4 and 5 respectively show electron diffraction patterns and theoretical views along the zone axis of these Fe 2 Nb 3 precipitates.
- FIG. 6 shows an observation in Transmission Electron Microscopy of Fe 2 Nb hexagonal precipitates in a cold-rolled sheet and annealed with a reference steel after treatment for 100 h at 1000 ° C.
- Figures 7 and 8 respectively show electron diffraction patterns and theoretical pictures along the zone axis of these Fe 2 Nb precipitates.
En ce qui concerne la composition chimique de l'acier, le carbone augmente les caractéristiques mécaniques à haute température, en particulier la résistance au fluage. Cependant, en raison de sa solubilité très faible dans la ferrite, le carbone tend à précipiter sous forme de carbures M23C6 ou M7C3 à une température inférieure à 900°C environ. Cette précipitation généralement située aux joints de grains peut conduire à un appauvrissement en chrome au voisinage de ces joints et donc à une sensibilisation à la corrosion intergranulaire. Cette sensibilisation peut se rencontrer en particulier dans les Zones Affectées par la Chaleur en soudage qui ont été réchauffées à très haute température. La teneur en carbone doit donc être limitée à 0,03% pour obtenir une résistance satisfaisante à la corrosion intergranulaire ainsi que pour ne pas diminuer la formabilité. De plus, la teneur en carbone doit satisfaire à une relation avec le molybdène, le niobium et l'azote, comme il sera expliqué plus loin.With regard to the chemical composition of steel, carbon increases mechanical characteristics at high temperatures, in particular creep resistance. However, because of its very low solubility in ferrite, the carbon tends to precipitate in the form of carbides M 23 C 6 or M 7 C 3 at a temperature below about 900 ° C. This precipitation usually located at the grain boundaries can lead to a depletion of chromium in the vicinity of these joints and thus to an awareness of intergranular corrosion. This sensitization can occur especially in the Heat Affected Zones in welding that have been heated to very high temperatures. The carbon content must therefore be limited to 0.03% to obtain a satisfactory resistance to intergranular corrosion and not to reduce the formability. In addition, the carbon content must satisfy a relationship with molybdenum, niobium and nitrogen, as will be explained later.
Le manganèse accroît les caractéristiques mécaniques. Au delà de 1 % en poids, la cinétique d'oxydation à chaud devient cependant trop rapide et une couche d'oxyde moins compacte se développe, formée de spinelle avec de la chromine.Manganese increases the mechanical characteristics. Above 1% by weight, the kinetics of hot oxidation however becomes too fast and a less compact oxide layer develops, formed of spinel with chromine.
Comme le chrome, le silicium est un élément très efficace pour accroître la résistance à l'oxydation lors de cycles thermiques. Pour assurer ce rôle, une teneur minimale de 0,3% en poids est nécessaire. Les inventeurs ont également mis en évidence que les teneurs pondérales en chrome et en silicium devaient obéir à la relation : Cr + 5 Si ≥ 20%, de façon à obtenir une bonne résistance à l'oxydation cyclique à 1000°C.Like chromium, silicon is a very effective element for increasing the resistance to oxidation during thermal cycling. To fulfill this role, a minimum content of 0.3% by weight is necessary. The inventors have also demonstrated that the weight contents of chromium and silicon must obey the relationship: Cr + 5 Si ≥ 20%, so as to obtain good resistance to cyclic oxidation at 1000 ° C.
Cependant, pour ne pas diminuer l'aptitude au laminage à chaud et la mise en forme à froid, la teneur en silicium doit être limitée à 1% en poids.However, in order not to decrease the hot rolling ability and the cold forming, the silicon content must be limited to 1% by weight.
Le soufre et le phosphore sont des impuretés qui diminuent la ductilité à chaud et la formabilité. Le phosphore ségrége facilement aux joints de grains et diminue leur cohésion. A ce titre, les teneurs en soufre et phosphore doivent être respectivement inférieures ou égales à 0,01 et 0,04% en poids.Sulfur and phosphorus are impurities that decrease hot ductility and formability. Phosphorus easily segregates at grain boundaries and decreases cohesion. As such, the sulfur and phosphorus contents must be respectively less than or equal to 0.01 and 0.04% by weight.
Le chrome est un élément essentiel pour la stabilisation de la phase ferritique et pour accroître la résistance à l'oxydation. En liaison avec les autres éléments de la composition, sa teneur minimale doit être supérieure ou égale à 18% afin d'obtenir une structure ferritique à toute température et d'obtenir une bonne résistance à l'oxydation cyclique. Sa teneur maximale ne doit pas cependant excéder 22% sous peine d'augmenter excessivement la résistance mécanique à l'ambiante et de diminuer consécutivement l'aptitude à la mise en forme.Chromium is an essential element for stabilizing the ferritic phase and increasing the resistance to oxidation. In connection with the other elements of the composition, its minimum content must be greater than or equal to 18% in order to obtain a ferritic structure at any temperature and to obtain good resistance to cyclic oxidation. Its maximum content must not, however, exceed 22%, otherwise the mechanical resistance to the ambient temperature will be excessively increased and the fitness ability will be reduced consecutively.
Le nickel est un élément gammagène qui augmente la ductilité de l'acier. Afin de conserver une structure monophasée ferritique, sa teneur doit être inférieure ou égale à 0,5% en poids.Nickel is a gamma element that increases the ductility of steel. In order to maintain a ferritic single-phase structure, its content must be less than or equal to 0.5% by weight.
Le molybdène accroît non seulement la résistance à haute température mais aussi la résistance à l'oxydation. Cependant, au delà de 2,5% en poids de Mo, la limite d'élasticité et la résistance à température ambiante sont accrues de façon excessive, la ductilité et l'aptitude à la mise en forme diminuent. Comme on le verra plus loin, le molybdène doit également satisfaire à une relation conjointement avec le niobium, le carbone et l'azote, pour obtenir une résistance mécanique et une résistance au fluage satisfaisantes à 1000°C ainsi qu'une résistance à la fatigue thermique entre 100°C et 1000°C.Molybdenum not only increases the high temperature resistance but also the resistance to oxidation. However, above 2.5% by weight of Mo, the yield strength and room temperature resistance are excessively increased, ductility and workability decrease. As will be discussed below, molybdenum must also satisfy a relationship with niobium, carbon and nitrogen, to obtain satisfactory mechanical strength and creep resistance at 1000 ° C and fatigue resistance. between 100 ° C and 1000 ° C.
Le cuivre a un effet durcissant à chaud. En quantité excessive, il diminue cependant la ductilité lors du laminage à chaud. A ce titre, la teneur en cuivre doit donc être inférieure ou égale à 0,5% en poids.Copper has a heat-curing effect. In excessive quantities, however, it reduces the ductility during hot rolling. As such, the copper content must be less than or equal to 0.5% by weight.
Les inventeurs ont mis en évidence que les teneurs en titane, en aluminium et en zirconium doivent être conjointement limitées afin d'obtenir une précipitation plus intense de Fe2Nb3 cubiques : cette précipitation de composés intermétalliques intervenant à haute température, permet d'obtenir une bonne tenue à l'oxydation cyclique et au fluage à 1000°C. Dans ce but, les teneurs pondérales en Ti, Zr, Al, doivent être limitées à 0,02% chacune, et la somme de leurs teneurs doit être telle que : Ti+Al+Zr≤ 0,030%. Dans le cas contraire, le niobium précipite, non pas sous forme de Fe2Nb3, mais à partir de 650°C sous forme de composés Fe2Nb, moins efficaces pour résister au fluage.The inventors have demonstrated that the contents of titanium, aluminum and zirconium must be jointly limited in order to obtain a more intense precipitation of cubic Fe 2 Nb 3 : this precipitation of intermetallic compounds operating at high temperature makes it possible to obtain good resistance to cyclic oxidation and creep at 1000 ° C. For this purpose, the weight contents of Ti, Zr, Al must be limited to 0.02% each, and the sum of their contents must be such that: Ti + Al +
Le niobium est un élément important de l'invention. Usuellement, cet élément peut être utilisé comme élément stabilisant dans les aciers inoxydables ferritiques : en effet, le phénomène de sensibilisation mentionné ci-dessus peut être évité par l'addition d'éléments formant des carbures ou des carbonitrures très stables thermiquement. De cette façon, on réduit le plus possible le carbone et l'azote en solution et on évite ainsi une précipitation ultérieure de carbures et de nitrures de chrome. Le niobium (ainsi que le titane et, dans une moindre mesure, le zirconium et le vanadium) fixe donc de façon stable le carbone et l'azote.Niobium is an important element of the invention. Usually, this element can be used as a stabilizing element in ferritic stainless steels: in fact, the sensitization phenomenon mentioned above can be avoided by the addition of elements forming carbides or carbonitrides which are very thermally stable. In this way, carbon and nitrogen are minimized in solution, and subsequent precipitation of carbides and nitrides of chromium is avoided. Niobium (as well as titanium and, to a lesser extent, zirconium and vanadium) thus stably fixes carbon and nitrogen.
Mais le niobium se combine également avec le fer pour former certains composés intermétalliques dans l'intervalle 650°C-1050°C: les inventeurs ont mis en évidence qu'une précipitation intergranulaire de Fe2Nb3 cubique intervenant à haute température pouvait être mise à profit pour augmenter les propriétés mécaniques à chaud. Ceci nécessite cependant les conditions suivantes :
- Si la teneur en Nb total de l'acier est inférieure à 0,2%, l'acier est insuffisamment stabilisé et la quantité de Fe2Nb3 précipité est insuffisante pour obtenir les propriétés visées à haute température.
- If the total Nb content of the steel is less than 0.2%, the steel is insufficiently stabilized and the amount of Fe 2 Nb 3 precipitated is insufficient to obtain the properties targeted at high temperature.
Pour obtenir cette précipitation favorable du niobium, les inventeurs ont également mis en évidence l'importance de la teneur en niobium effectif, désignée par ΔNb : le niobium effectif désigne la quantité de niobium en solution solide disponible pour précipiter avec le fer, en faisant l'hypothèse que le carbone et l'azote ont totalement précipité avec le niobium sous forme de carbonitrures NbCN. Dans ces conditions : ΔNb=Nb-7C-7NTo obtain this favorable precipitation of niobium, the inventors have also demonstrated the importance of the effective niobium content, designated by ΔNb: the effective niobium denotes the amount of niobium in solid solution available for precipitating with iron, by making hypothesis that carbon and nitrogen precipitated completely with niobium as NbCN carbonitrides. Under these conditions: ΔNb = Nb-7C-7N
Pour garantir une résistance mécanique et une résistance au fluage à 1000°C satisfaisantes, ainsi qu'une résistance à la fatigue thermique entre 100°C et 1000°C, les inventeurs ont mis en évidence que les teneurs en Mo et en ΔNb devaient excéder une valeur particulière de façon que :
Cependant, il convient par ailleurs de limiter les additions de niobium : Lorsque la teneur en niobium est supérieure à 1 % en poids, le durcissement obtenu est trop important, l'acier est moins facilement déformable et la recristallisation après laminage à froid est plus difficile.However, it is also necessary to limit the additions of niobium: When the niobium content is greater than 1% by weight, the hardening obtained is too important, the steel is less easily deformable and recrystallization after cold rolling is more difficult .
Le vanadium est un élément qui augmente la résistance à haute température. Afin d'assurer une adhérence satisfaisante de la couche d'oxyde formée lors de l'utilisation à haute température et de garantir une bonne tenue à l'oxydation, les inventeurs ont mis en évidence que les teneurs en titane et vanadium doivent satisfaire à la relation : V +10 Ti ≥ 0,06%. Il convient cependant de limiter la teneur en vanadium à 0,2% pour ne pas diminuer la formabilité.Vanadium is an element that increases resistance to high temperature. In order to ensure satisfactory adhesion of the oxide layer formed during use at high temperature and to ensure good resistance to oxidation, the inventors have shown that the titanium and vanadium contents must satisfy the relationship: V +10 Ti ≥ 0.06%. However, the vanadium content should be limited to 0.2% in order not to reduce the formability.
Comme le carbone, l'azote augmente les caractéristiques mécaniques. Cependant, l'azote tend à précipiter aux joints de grains sous forme de nitrures, réduisant ainsi la résistance à la corrosion. Afin de limiter les problèmes de sensibilisation, la teneur en azote doit être inférieure ou égale à 0,03%.Like carbon, nitrogen increases the mechanical characteristics. However, nitrogen tends to precipitate at grain boundaries in the form of nitrides, thus reducing the corrosion resistance. In order to limit sensitization problems, the nitrogen content must be less than or equal to 0.03%.
Le cobalt est un élément durcissant à chaud mais qui dégrade la formabilité :Cobalt is a hot-curing element that degrades formability:
A cet effet sa teneur doit être comprise entre 0,005% et 0,05% en poids.For this purpose its content must be between 0.005% and 0.05% by weight.
Afin d'éviter les problèmes de forgeabilité à chaud, la teneur en étain doit être inférieure ou égale à 0,05%.In order to avoid hot forgeability problems, the tin content must be less than or equal to 0.05%.
Selon l'invention, la taille moyenne de grain de l'acier dans l'état de livraison est comprise entre 10 et 60 micromètres, la précipitation ultérieure de composés intermétalliques permettant aussi de stabiliser la taille de grain lors de l'utilisation. Une taille de grain inférieure à 10 micromètres a un effet néfaste sur le fluage intergranulaire. Une taille de grain supérieure à 60 micromètres va conduire à l'apparition d'irrégularités de surface inesthétiques, ou « peau d'orange », lors de la mise en forme à la température ambiante.According to the invention, the average grain size of the steel in the delivery state is between 10 and 60 micrometers, the subsequent precipitation of intermetallic compounds also making it possible to stabilize the grain size during use. A grain size of less than 10 microns has a detrimental effect on intergranular creep. A grain size greater than 60 microns will lead to the appearance of unsightly surface irregularities, or "orange peel", when shaping at room temperature.
Les aciers selon l'invention comportent une précipitation intergranulaire de composés Fe2Nb3 de structure cubique après un traitement thermique compris entre 650°C et 1050°C pendant un temps supérieur à 30minutes. Selon l'invention, les précipités Fe2Nb3 sont très majoritaires parmi les précipités intergranulaires, c'est-à-dire représentent plus de 80% de la population intergranulaire. La nature et la répartition de ces précipités sont très favorables pour résister au fluage, en comparaison de précipités Fe2Nb, ou phases de Laves. Les composés Fe2Nb qui précipitent sous forme intra-ou intergranulaire ne sont stables que jusqu'à 950°C, contrairement aux précipités Fe2Nb3 stables jusqu'à 1050°C.The steels according to the invention comprise an intergranular precipitation of Fe 2 Nb 3 compounds of cubic structure after a heat treatment of between 650 ° C. and 1050 ° C. for a time greater than 30 minutes. According to the invention, the Fe 2 Nb 3 precipitates are very much in the majority of the intergranular precipitates, that is to say they represent more than 80% of the intergranular population. The nature and distribution of these precipitates are very favorable to resist creep, in comparison with Fe 2 Nb precipitates, or Laves phases. The Fe 2 Nb compounds that precipitate in intra- or intergranular form are stable only up to 950 ° C., unlike stable Fe 2 Nb 3 precipitates up to 1050 ° C.
Selon l'invention, la structure de l'acier dans l'état de livraison est totalement recristallisée : de la sorte, la précipitation ultérieure des composés Fe2Nb3 intervient de façon très homogène.According to the invention, the structure of the steel in the delivery state is completely recrystallized: in this way, the subsequent precipitation of the Fe 2 Nb 3 compounds occurs in a very homogeneous manner.
Les inventeurs ont mis en évidence que l'efficacité des composés Fe2Nb3 cubiques était particulièrement accrue lorsque la fraction linéaire de joints de grains ferritiques qui présentaient une précipitation de ces composés, était supérieure ou égale à 5%. La définition de cette fraction linéaire f est donnée à la figure 1 : Si l'on considère un grain particulier dont le contour est limité par des joints de grains successifs de longueur L1, L2, .. Li, les observations en microscopie électronique montrent que ce grain peut comporter des précipités Fe2Nb3 le long des joints sur une longueur d1, ..di... En considérant une surface (S) statistiquement représentative de la microstructure, par exemple composée de plus de 50 grains, on définit la fraction linéaire comportant des précipités de Fe2Nb3 par l'expression f :
L'expression f traduit donc le taux de recouvrement des joints de grains ferritiques par une précipitation de Fe2Nb3 cubiques. Les inventeurs ont mis en évidence, comme le présente la figure 2, que la résistance au fluage lors d'un essai dit « sag-test », était très nettement améliorée lorsque la fraction linéaire de précipités Fe2Nb3 cubiques était supérieure ou égale à 5% : dans ces conditions, ces précipités jouent un rôle très efficace d'ancrage des joints et ralentissent le fluage.The expression f thus translates the degree of recovery of ferritic grain boundaries by a precipitation of cubic Fe 2 Nb 3 . The inventors have demonstrated, as shown in FIG. 2, that the creep resistance during a so-called "sag-test" test was very much improved when the linear fraction of cubic Fe 2 Nb 3 precipitates was greater than or equal to at 5%: under these conditions, these precipitates play a very effective role of anchoring joints and slow creep.
La mise en oeuvre du procédé de fabrication d'une tôle d'acier inoxydable ferritique selon l'invention pourra notamment être la suivante :
- On approvisionne un acier de composition selon l'invention
- On procède à la coulée d'un demi-produit à partir de cet acier. Cette coulée peut être réalisée en lingot ou encore sous forme de brame produite par coulée continue (épaisseur allant généralement de quelques dizaines de millimètres pour les brames minces à quelques centaines de millimètres pour les brames classiques) ou de bandes minces entre cylindres d'acier contrarotatifs. Les demi-produits coulés sont tout d'abord portés à une température supérieure à 1000°C pour atteindre en tout point une température favorable aux déformations élevées que va subir l'acier lors du laminage à chaud.
- A composition steel is supplied according to the invention
- A semi-finished product is cast from this steel. This casting can be carried out in ingot or in the form of slab produced by continuous casting (thickness generally ranging from a few tens of millimeters for thin slabs to a few hundred millimeters for conventional slabs) or thin strips between contrarotating steel rolls . The cast semifinished products are first brought to a temperature above 1000 ° C to reach at any point a temperature favorable to the high deformations that will undergo the steel during hot rolling.
On décape puis on lamine ensuite la tôle dans les conditions usuelles, en appliquant par exemple un taux de réduction de 30 à 90%. On recuit ensuite la tôle laminée à froid à une température TR et pendant une durée tR.It is then scoured and the sheet is then rolled under the usual conditions, for example by applying a reduction ratio of 30 to 90%. The cold-rolled sheet is then annealed at a temperature T R and for a time t R.
Ces paramètres TR et tR sont choisis de telle sorte que l'on obtienne une recristallisation complète avec une taille moyenne de grain ferritique comprise entre 10 et 60 micromètres. Un accroissement de TR et de tR augmente le taux de recristallisation ainsi que la taille moyenne de grain.These parameters T R and t R are chosen such that a complete recrystallization with an average ferritic grain size of between 10 and 60 microns is obtained. An increase in T R and t R increases the recrystallization rate as well as the average grain size.
A ce stade, la tôle d'acier est à l'état de livraison. Une pièce peut être alors fabriquée à partir de cette tôle d'acier en mettant en oeuvre des modes usuels de déformation, tels qu'emboutissage, hydroformage ou pliage. Lorsque l'on met en oeuvre la tôle d'acier à l'état de livraison avec une taille de grain ferritique comprise entre 10 et 60 micromètres, celle-ci présente simultanément une bonne résistance à la formation d'irrégularités de surface lors d'une mise en forme à froid et une bonne résistance au fluage lors de son utilisation à haute température.At this point, the steel sheet is in the delivery condition. A part can then be manufactured from this sheet steel by implementing common modes of deformation, such as stamping, hydroforming or folding. When the sheet steel is used in the delivery state with a ferritic grain size of between 10 and 60 micrometers, it simultaneously has good resistance to the formation of surface irregularities when cold forming and good creep resistance when used at high temperatures.
Lors de la mise en service ultérieure de la pièce, un ou plusieurs cycles thermiques dans un domaine de températures comprises entre 650 et 1050°C pendant une durée cumulée supérieure à 30 minutes, conduisent à une précipitation de Fe2Nb3 et un accroissement de la résistance au fluage.During the subsequent commissioning of the part, one or more thermal cycles in a temperature range between 650 and 1050 ° C for a cumulative time greater than 30 minutes lead to a precipitation of Fe 2 Nb 3 and an increase of creep resistance.
Cette résistance est particulièrement élevée lorsque la fraction linéaire f de joints de grains ferritiques comportant une précipitation des composés Fe2Nb3 est supérieure ou égale à 5%.This resistance is particularly high when the linear fraction f of ferritic grain boundaries comprising a precipitation of Fe 2 Nb 3 compounds is greater than or equal to 5%.
A titre d'exemple non limitatif, les résultats suivants vont montrer les caractéristiques avantageuses conférées par l'invention.By way of non-limiting example, the following results will show the advantageous characteristics conferred by the invention.
On a élaboré des aciers dont la composition exprimée en pourcentage pondéral, figure au tableau 1 ci-dessous. Outre les aciers I1 à I4 selon l'invention, on a indiqué à titre de comparaison la composition d'aciers de référence R1 à R6. On a également porté au tableau 2, la valeur des expressions : Ti + AI + Zr, Cr + 5 Si, Mo+3 (Nb- 7C- 7N), V +10 Ti, pour chacune des compositions ci-dessus.Steels were developed whose composition, expressed as a percentage by weight, is shown in Table 1 below. In addition to the steels I1 to I4 according to the invention, the composition of reference steels R1 to R6 has been indicated for comparison. The value of the expressions: Ti + Al + Zr, Cr + 5 Si, Mo + 3 (Nb-7C-7N), V +10 Ti, for each of the above compositions is also shown in Table 2.
Après coulée, ces aciers ont été réchauffés à une température supérieure à 1000°C, laminés à chaud jusqu'à une épaisseur de 3mm, décapés puis laminés à froid jusqu'à une épaisseur de 1,5mm. Les tôles d'acier ont été ensuite recuites à une température de 1100°C pendant une durée de 30 secondes.
Valeurs soulignées : non conformes à l'invention
Valeurs soulignées : non conformes à l'invention
Underlined values: not in accordance with the invention
Underlined values: not in accordance with the invention
Le tableau 3 présente le résultat d'un certain nombre d'essais effectués à hautes températures sur ces aciers ou d'observations réalisées après ces cycles à hautes températures. Ces essais sont destinés à apprécier le comportement mécanique, particulièrement dans des conditions d'utilisation à température supérieure ou égale à 950°C :
- après avoir soumis les tôles d'aciers à une température de 1000°C pendant une durée de 100h, on a examiné l'état de précipitation par Microscopie Electronique en Transmission. Des analyses par spectrométrie à dispersion d'énergie (EDS) ont été effectuées pour déterminer les éléments composant ces précipités. Des clichés de diffraction électronique (figure 4) ont été comparés à des clichés théoriques selon l'axe de zone (figure 5)
- On a effectué des essais de traction mécanique à 950°C et 1000°C selon la norme ASTM E21-92, et mesuré la résistance mécanique Rm. La tenue mécanique à chaud est considérée comme insuffisante lorsque Rm est inférieure à 18 MPa à 950°C ou lorsque Rm est inférieure à 10MPa à 1000°C.
- La résistance à la fatigue thermique a été évaluée grâce un test consistant à soumettre une éprouvette bridée de 1,5mm d'épaisseur à un cyclage thermique dont les températures minimale et maximale sont égales à 100°C et 1000°C. On mesure le nombre de cycles jusqu'à rupture. Le résultat est jugé satisfaisant lorsque le nombre de cycles à rupture dépasse 3500.
- La tenue au fluage a été mesurée au moyen d'un essai, dit «sag test » : un échantillon de 1,5mm d'épaisseur posé sur deux appuis ponctuels écartés de 200 mm est porté à 1000°C. On mesure la flèche après 100 h de maintien en température. Le résultat est considéré comme non satisfaisant lorsque la flèche excède 10 mm.
- La résistance à l'oxydation cyclique a été mesurée par la perte de masse, après enlèvement de l'oxyde, d'une éprouvette après 600 cycles entre la température ambiante et 1000°C, le cycle comprenant un temps de maintien de 20 minutes à 1000°C pour une durée totale de cycle de 30min. Le résultat est insuffisant lorsque la perte de masse est supérieure à 40 g/cm2.
- after subjecting the steel sheets to a temperature of 1000 ° C for a period of 100h, the precipitation state was examined by Transmission Electron Microscopy. Energy dispersive spectrometry (EDS) analyzes were performed to determine the elements composing these precipitates. Electron diffraction patterns (Figure 4) were compared to theoretical views along the zone axis (Figure 5)
- Mechanical tensile tests were conducted at 950 ° C and 1000 ° C according to ASTM E21-92, and the mechanical strength R m was measured. The mechanical resistance to heat is considered insufficient when R m is less than 18 MPa at 950 ° C or when R m is less than 10 MPa at 1000 ° C.
- The thermal fatigue resistance was evaluated by means of a test consisting in subjecting a 1.5 mm thick flanged specimen to thermal cycling whose minimum and maximum temperatures are equal to 100 ° C. and 1000 ° C. The number of cycles is measured until failure. The result is considered satisfactory when the number of cycles to rupture exceeds 3500.
- The creep resistance was measured by means of a so-called "sag test" test: a 1.5 mm thick sample placed on two point supports spaced apart by 200 mm is brought to 1000 ° C. The arrow is measured after 100 hours of temperature maintenance. The result is considered unsatisfactory when the arrow exceeds 10 mm.
- The resistance to cyclic oxidation was measured by the mass loss, after removal of the oxide, of a test piece after 600 cycles between room temperature and 1000 ° C, the cycle comprising a holding time of 20 minutes at 1000 ° C for a total cycle time of 30min. The result is insufficient when the loss of mass is greater than 40 g / cm 2 .
La figure 3 annexée illustre les précipités observés après essais de fluage à 1000°C dans les coulées I1, I2, I3 et I4 selon l'invention. On note la présence de précipités intra- et surtout intergranulaires, recouvrant une grande partie des joints de grains ferritiques. Des analyses par spectrométrie à dispersion d'énergie (EDS) et de longueur d'onde (WDS) révèlent que plus de 80% de ces précipités sont constitués de niobium et de fer, de stoechiométrie Fe2Nb3, et qu'ils ne contiennent ni carbone et ni azote. Afin d'identifier ces précipités, des clichés de diffraction électronique (figure 4) ont été comparés à des clichés théoriques selon l'axe de zone (figure 5): ces précipités sont des composés intermétalliques Fe2Nb3 cubiques, dont le paramètre de maille est a=1,13 nanomètre.The attached FIG. 3 illustrates the precipitates observed after creep tests at 1000 ° C. in the flows I1, I2, I3 and I4 according to the invention. The presence of intra- and especially intergranular precipitates covering a large part of the ferritic grain boundaries is noted. Analyzes by energy dispersive spectrometry (EDS) and wavelength (WDS) reveal that more than 80% of these precipitates consist of niobium and iron, of Fe 2 Nb 3 stoichiometry, and that they do not contain neither carbon nor nitrogen. In order to identify these precipitates, electron diffraction patterns (FIG. 4) were compared with theoretical views along the zone axis (FIG. 5): these precipitates are cubic Fe 2 Nb 3 intermetallic compounds, the parameter of which is mesh is a = 1.13 nanometer.
Par comparaison, la figure 6 présente des précipités observés dans les aciers de référence R3, R4 et R5. Le taux de recouvrement des joints de grains ferritiques par ces précipités est très faible après essais de fluage à 1000°C. Des clichés expérimentaux de diffraction électronique et les clichés théoriques selon l'axe de zone de ces précipités sont portés respectivement aux figures 7 et 8. L'analyse EDS et les examens de diffraction révèlent qu'il s'agit de précipités de Fe2Nb, ou phase de Laves, de réseau hexagonal.By comparison, Figure 6 shows precipitates observed in the reference steels R3, R4 and R5. The degree of recovery of the ferritic grain boundaries by these precipitates is very low after creep tests at 1000 ° C. Experimental electron diffraction patterns and theoretical views along the zone axis of these precipitates are given in Figures 7 and 8, respectively. The EDS analysis and the diffraction studies reveal that they are Fe 2 Nb precipitates. , or phase of Laves, of hexagonal network.
Les aciers I1 à I4 selon l'invention combinent de bonnes propriétés mécaniques à chaud : résistance mécanique, résistance au fluage, à la fatigue thermique et à l'oxydation cyclique.The steels I1 to I4 according to the invention combine good mechanical properties when hot: mechanical resistance, resistance to creep, thermal fatigue and cyclic oxidation.
Les aciers R1 et R2 présentent une combinaison de titane et de vanadium insuffisante : les résistances à l'oxydation cyclique et à la fatigue thermique ne sont pas satisfaisantes en raison du manque d'adhésion des couches d'oxydes avec l'acier substrat.The R1 and R2 steels have a combination of insufficient titanium and vanadium: the resistances to cyclic oxidation and thermal fatigue are unsatisfactory due to the lack of adhesion of the oxide layers to the substrate steel.
Dans les aciers R3, R4 et R5 de référence, les teneurs en Ti ou en Zr, en Ti+Al+Zr sont excessives, ce qui ne permet pas la précipitation du niobium sous forme de Fe2Nb3 : c'est au contraire Fe2Nb qui précipite vers 650-800°C lors de l'utilisation à haute température. Ces précipités relativement grossiers, présents en faible quantité aux joints de grains et totalement remis en solution à des températures supérieures à 950°C, sont peu efficaces pour améliorer la tenue au fluage. Par comparaison, les précipités Fe2Nb3 des aciers selon l'invention sont plus stables, même au delà de 950°C. Corrélativement la tenue au fluage et la résistance à l'oxydation cyclique des aciers R3 à R5 sont insuffisantes.In reference steels R3, R4 and R5, the contents of Ti or Zr in Ti + Al + Zr are excessive, which does not allow the precipitation of niobium in the form of Fe 2 Nb 3: it is on the contrary Fe 2 Nb that precipitates around 650-800 ° C during use at high temperature. These relatively coarse precipitates, present in small amounts at the grain boundaries and totally redissolved at temperatures above 950 ° C, are not very effective in improving the creep resistance. In comparison, the Fe 2 Nb 3 precipitates of the steels according to the invention are more stable, even beyond 950 ° C. Correlatively, the creep resistance and the cyclic oxidation resistance of the R3 to R5 steels are insufficient.
L'acier R5 a également une teneur excessive en titane et une combinaison (Ti+Al+Zr) non satisfaisante. De plus, sa combinaison : Mo+3ΔNb, est insuffisante. En conséquence, l'acier ne présente pas de propriétés mécaniques satisfaisantes à haute température, en particulier de fluage.R5 steel also has an excessive titanium content and a combination (Ti + Al + Zr) unsatisfactory. Moreover, its combination: Mo + 3ΔNb, is insufficient. As a result, the steel does not exhibit satisfactory mechanical properties at high temperature, in particular creep.
L'acier R6 présente une teneur insuffisante en chrome ainsi que des combinaisons : Mo+3ΔNb, Cr+5%Si insuffisantes. En dépit de la présence de composés Fe2Nb3, les propriétés de résistance à l'oxydation et les propriétés mécaniques à haute température sont insuffisantes.R6 steel has an insufficient chromium content as well as combinations: Mo + 3ΔNb, Cr + 5% Si insufficient. Despite the presence of Fe 2 Nb 3 compounds, the properties of oxidation resistance and high temperature mechanical properties are insufficient.
Les aciers selon l'invention seront utilisés avec profit pour la fabrication de pièces soumises à une température d'utilisation périodique supérieure à 950°C, et notamment de collecteurs d'échappement de gaz de combustion dans le domaine automobile, de brûleurs, d'échangeurs à chaleur ou d'enveloppes de turbocompresseurs, de chaudières.The steels according to the invention will be used with advantage for the manufacture of parts subjected to a periodic operating temperature greater than 950 ° C., and in particular of combustion gas exhaust manifolds in the automobile field, of burners, of Heat exchangers or envelopes of turbochargers, boilers.
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