EP3850117A1 - Alliage pour assiette de fibrage - Google Patents

Alliage pour assiette de fibrage

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Publication number
EP3850117A1
EP3850117A1 EP19783595.2A EP19783595A EP3850117A1 EP 3850117 A1 EP3850117 A1 EP 3850117A1 EP 19783595 A EP19783595 A EP 19783595A EP 3850117 A1 EP3850117 A1 EP 3850117A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weight
alloy
alloy according
less
nickel
Prior art date
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Pending
Application number
EP19783595.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ludovic Hericher
Jacques LABARTHE
Cyril CONDOLF
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Isover SA France
Saint Gobain SEVA SA
Original Assignee
Saint Gobain Isover SA France
Saint Gobain SEVA SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Isover SA France, Saint Gobain SEVA SA filed Critical Saint Gobain Isover SA France
Publication of EP3850117A1 publication Critical patent/EP3850117A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/053—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 30% but less than 40%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/02—Casting exceedingly oxidisable non-ferrous metals, e.g. in inert atmosphere
    • B22D21/025—Casting heavy metals with high melting point, i.e. 1000 - 1600 degrees C, e.g. Co 1490 degrees C, Ni 1450 degrees C, Mn 1240 degrees C, Cu 1083 degrees C
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/04—Manufacture of glass fibres or filaments by using centrifugal force, e.g. spinning through radial orifices; Construction of the spinner cups therefor
    • C03B37/047—Selection of materials for the spinner cups
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/14—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments

Definitions

  • the present invention relates to a metal alloy for use at very high temperature, in particular usable in a process for manufacturing mineral wool by fiberizing a mineral composition in fusion, or more generally for the constitution of tools endowed with mechanical resistance at high temperature.
  • an oxidizing medium such as molten glass, and nickel-based alloys usable at high temperature, in particular for the production of articles for the production and / or hot transformation of glass or other mineral material, such as organs mineral wool manufacturing machines.
  • a fiberizing technique called internal centrifugation, consists in continuously dropping liquid glass inside a set of parts of revolution rotating at very high speed of rotation around their vertical axis.
  • a centerpiece called “plate”, more often referred to in the art under the English term “spinner”, receives the glass against a wall called “strip” pierced with holes, which the glass passes through under the effect of centrifugal force to escape from all sides in the form of molten filaments.
  • An annular burner located above the outside of the plate, producing a downward stream of gas along the outer wall of the strip, deflects these filaments downwards by stretching them. These then “solidify” in the form of glass wool.
  • the plate is a fiber-drawing tool very thermally stressed (thermal shocks during starts and stops, and establishment in stabilized use of a temperature gradient along the part), mechanically (centrifugal force, erosion due to the passage of the glass) and chemically (oxidation and corrosion by molten glass, and by hot gases coming out of the burner around the plate). Its main modes of deterioration are: deformation by hot creep of the vertical walls, the appearance of horizontal or vertical cracks, wear by erosion of the fiberizing orifices, which require outright replacement of the organs. Their constituent material must therefore resist for a production time (or fiberizing time) long enough to remain compatible with the technical and economic constraints of the process.
  • Nickel-based superalloys reinforced by precipitation of carbides are known for the production of these tools.
  • FR 2675818 describes for example such alloys.
  • the present invention aims to provide further improved nickel-based alloys, ultimately making it possible to increase the life of the tool made up of said alloy, in particular a fiberizing plate made up of such an alloy.
  • the alloy according to the present invention thus has very good properties of resistance to creep, to corrosion and / or to oxidation, which in the end allows such an improved service life to be obtained.
  • the subject of the present invention is an alloy which contains the following elements, the proportions being indicated as a percentage by weight of the alloy (limits included):
  • the elements concerned are not intentionally present in the composition of the alloy but that they are introduced in the form of impurities contained in at least one of the main elements of the alloy (or in at least one of the precursors of said main elements).
  • the alloy according to the present invention differs from the nickel-based alloys generally used for such applications, in particular in that it contains carbides of niobium (NbC) and possibly of titanium (TiC) as well as a limited quantity of iron. , or even no iron or only in the form of unavoidable impurities.
  • NbC niobium
  • TiC titanium
  • the patent application FR2675818 cited above indicates that an amount of iron of between 7 and 10% in nickel-based alloys is necessary, in order to improve the resistance to corrosion with respect to molten glass, in particular with respect to -vis sulfur compounds contained in said molten glass.
  • Nickel is the basic element of the alloys according to the invention, in the sense that it represents more than 50% by weight of the alloy.
  • the nickel content is preferably greater than or equal to 52%, or even greater than or equal to 54%. More preferably, the nickel content is greater than 55%, or even greater than or equal to 56%. More preferably, the nickel content is less than or equal to 65%, or even less than or equal to 63% or even less than or equal to 62%.
  • the alloy may very preferably comprise a range between 55.5 and 60% by weight of nickel, or even between 56 and 60% by weight of nickel.
  • Carbon is an essential constituent of the alloy, necessary for the formation of precipitates of metal carbides.
  • the carbon content directly determines the quantity of carbides present in the alloy. It is at least 0.4% by weight to obtain the minimum reinforcement desired, preferably at least 0.5% by weight, but preferably limited to at most 1% by weight, preferably at most 0 , 9% by weight or even at most 0.8% by weight to prevent the alloy from becoming hard and difficult to machine due to too high a density of reinforcements.
  • the lack of ductility of the alloy at such contents prevents it from accommodating an imposed deformation (for example of thermal origin) without breaking and from sufficiently resisting the propagation of cracks.
  • the alloy can very preferably comprise a range of between 0.6 and 0.7% by weight of carbon.
  • Chromium contributes to the intrinsic mechanical resistance of the matrix in which it is present partly in solid solution, and in some cases also in the form of carbides essentially of the Cr 23 C 6 type in fine dispersion inside the grains where they provide resistance to intragranular creep or in the form of carbides of the Cr 7 C 3 or Cr 23 C 6 type present at the grain boundaries, which prevent grain-to-grain sliding thus also contributing to the intergranular reinforcement of the alloy.
  • Chromium contributes to corrosion resistance as a precursor of chromium oxide, forming a protective layer on the surface exposed to the oxidizing medium.
  • the chromium content of an alloy usable according to the invention is greater than or equal to 22%, or even greater than or equal to 25%, or even greater than or equal to 28%.
  • the chromium content of an alloy which can be used according to the invention is less than or equal to 32%, or even less than or equal to 30%.
  • the alloy can very preferably comprise a range of between 28 and 30% by weight of chromium.
  • niobium like titanium, seems to contribute to the mechanical resistance of the alloy, in particular to the resistance to creep, at high temperature, for example higher than 1000 ° C, even higher at 1040 ° C.
  • Chromium carbides tend to dissolve at temperatures above 1000 ° C.
  • the presence of niobium and titanium carbides, more stable than chromium carbides at high temperature ensures the mechanical resistance of the alloy at high temperature.
  • the niobium content is preferably greater than or equal to 0.6%, or even greater than or equal to 0.7%. More preferably, the niobium content is less than or equal to 2.5%, or even less than or equal to 2% or even less than or equal to 1.5%, and very preferably less than 1.2%, or even less than 1.15%.
  • the alloy may very preferably comprise a range of between 0.8 and 1.2% by weight of niobium.
  • a certain proportion of titanium can also contribute to the mechanical resistance of the alloy at high temperature by the formation of titanium carbides. However, it was noted that the presence of titanium could affect the alloy's resistance to oxidation.
  • the titanium content is preferably less than 0.5%, or even less than 0.4% by weight.
  • the alloy does not comprise titanium other than in the form of unavoidable impurity, that is to say contents of less than 0.1%, or even less than 0.05% or even less than 0.01% by weight of the alloy.
  • the ratio (Nb + Ti) / C by weight according to the invention is preferably between 1 to 2, more preferably between 1.5 and 2.
  • the ratio (Nb + Ti) / C by weight according to the invention is in particular between 1.5 and 2.4.
  • Tungsten also contributes, together with the other metals present in the alloy and mentioned above, to the hardness of the alloy and to its resistance to creep.
  • the tungsten is present in an amount greater than or equal to 3%, more preferably still greater than or equal to 4% or even greater than or equal to 5% by weight of the alloy.
  • the tungsten is preferably present in an amount less than or equal to 7%, more preferably less than or equal to 6% by weight of the alloy.
  • the alloy may for example comprise from 3 to 8%, 4 to 7%, and very preferably between 5 to 6% by weight of tungsten.
  • Cobalt can be present in the alloy as a solid solution with nickel. It is very often used in the field of high temperature refractory steels in refractory alloys because it is known that such a solid solution contributes to the resistance to corrosion and to the mechanical resistance of the alloy as a whole. Since cobalt is an expensive element, it is deliberately limited according to the invention and present in an amount of less than 3%, or even less than 2% or even less than 1% by weight of the alloy.
  • the quantity of iron considered as an essential element in the document of art FR2675818, is also limited in the present invention.
  • the iron content is preferably less than or equal to 5%, or even less than or equal to 4.5% or even less than or equal to 4%.
  • the iron content is greater than or equal to 1%, or even greater than or equal to 2% or even greater than or equal to 3%.
  • the iron may be present only in the form of unavoidable impurities.
  • the iron content is between 4% and 6% by weight.
  • the alloy can advantageously contain other elements in very small proportions.
  • it includes:
  • the cumulative amount of the other elements introduced as impurities with the essential constituents of the alloy advantageously represents less than 2% by weight of the composition of the alloy, or even less than 1% by weight of the alloy.
  • the alloy according to the present invention is also distinguished from certain nickel-based alloys generally used for the manufacture of fiberizing plate in that it does not contain aluminum other than in the form of inevitable impurity, it is ie at contents lower than 0.1%, even lower than 0.05% or even lower than 0.01% by weight. It has in fact been noted that the presence of aluminum in the alloy, even at a small amount of the order of 0.1% by weight, could significantly affect its resistance to corrosion with respect to molten glass.
  • the alloy according to the invention is also free of molybdenum, except in the form of unavoidable impurity, that is to say that it can comprise contents of less than 0.1%, or even less than 0.05% or even less than 0.01% by weight of molybdenum.
  • molybdenum is known to provide excellent corrosion resistance to nickel-based alloys, it has been observed that, even at low contents, it could considerably affect their resistance to oxidation.
  • the alloy according to the invention comprises in percentage by weight:
  • Mn less than 0.8%, preferably from 0.5 to 0.7%
  • nickel may advantageously be present in amounts ranging from 54 to 62% by weight and in particular ranging from 55 to 60% by weight.
  • the alloys which can be used according to the invention which contain highly reactive elements, can be shaped by foundry, in particular by inductive melting in an at least partially inert atmosphere and poured into a sand mold.
  • the casting can possibly be followed by a heat treatment.
  • the invention also relates to a process for manufacturing an article by foundry from the alloys described above as object of the invention.
  • the process generally includes an adequate heat treatment stage allowing secondary carbides to be obtained and their homogeneous distribution in the metal matrix, as described in FR 2675818.
  • the heat treatment is preferably carried out at a temperature below 1000 ° C., or even below 950 ° C, for example from 800 ° C to 900 ° C, for a period of at least 5 hours, or even at least 8 hours, for example from 10 to 20 hours.
  • the method can comprise at least one cooling step, after casting and / or after or during heat treatment, for example by air cooling, in particular with a return to ambient temperature.
  • the alloys which are the subject of the invention can be used to manufacture all kinds of parts mechanically stressed at high temperature and / or brought to work in an oxidizing or corrosive medium.
  • the invention also relates to such articles made from an alloy according to the invention, in particular by foundry.
  • the invention also relates to a process for manufacturing mineral wool by internal centrifugation, in which a flow of molten mineral material is poured into a fiberizing plate whose peripheral band is pierced with a multitude of orifices through which filaments of molten mineral material escape which are then drawn into wool under the action of a gas, the temperature of the mineral material in the plate being at least 900 ° C., or even at least 950 ° C or at least 1000 ° C, or even at least 1040 ° C, and the fiberizing plate consisting of an alloy as defined above.
  • the alloys according to the invention therefore make it possible to fiber a molten mineral material having a liquidus temperature (Tu q ) of 800 ° C or more, for example from 850 ° C, or even 900 ° C to 1030 ° C, even l000 ° C , or even 950 ° C.
  • Ti q liquidus temperature
  • the composition of the mineral material to be fiberized is not particularly limited as long as it can be fiberized by an internal centrifugation process. It can vary depending on the properties desired for the mineral fibers produced, for example the properties of biosolubility, fire resistance or thermal insulation.
  • the material to be fiberized is preferably a glass composition of boro-silico-soda-lime type. It may in particular have a composition which contains the following constituents, in the weight proportions defined by the following limits:
  • S1O 2 + AI 2 O 3 is in the range from 50 to 80% by weight and that Na 2 0 + K 2 0 + B 2 0 3 is in the range from 5 to 30% by weight.
  • the material to be fiberized may in particular have the following composition in mass percentage:
  • the material to be fiberized can be made from pure constituents, but is generally obtained by melting a mixture of natural raw materials providing different impurities.
  • the invention can be applied to the manufacture of very diverse articles, when these must have a high mechanical resistance in an oxidizing and / or corrosive medium, in particular at high temperature.
  • the casting is followed by a thermal treatment of precipitation of the secondary carbides for 12 hours at 865 ° C, ending with air cooling to room temperature.
  • the creep resistance was measured by a creep-tensile test on specimens 30.0 mm long, 8.0 mm wide and 2.0 mm thick. The tests were carried out at 1000 ° C (normal operating temperature of a plate, under loads of 45 MPa (corresponding to a normal stress on the plate), 63 MPa (corresponding to an extreme load on the trim) and 100 MPa. Table 2 shows the creep rate (in the secondary mode) in pm / h.
  • the oxidation resistance depends on the one hand on the oxidation kinetics of the alloy and on the other hand on the quality of adhesion of the oxide layer formed on the surface of the alloy. Poor adhesion of the oxide layer to the surface of the alloy in fact accelerates its oxidation: when the oxide layer comes off, a non-oxidized alloy surface is then exposed directly to the oxygen in the air, which causes a new oxide layer to form, which in turn can come off, spreading the oxidation. On the contrary, when the oxide layer remains adherent to the surface of the alloy, it forms a barrier layer which limits or even stops the progression of oxidation.
  • the oxidation rate constants Kp were calculated from the mass gain monitoring resulting from the oxidation of samples placed at 1000 ° C for 50h in an oven equipped with a microbalance under air flow. Table 2 shows these constants in g. cm -2.s 1/2. Corrosion resistance tests are carried out using a three-electrode assembly immersed in a platinum-rhodium-plated crucible containing the molten glass. The crucible in rhodium-plated platinum is used as a counter-electrode. The comparison electrode is conventionally the stabilized zirconia electrode supplied with air.
  • the sample constituting the working electrode is mounted on a rotating axis in order to represent the friction forces of the glass on the surface of the alloy and immersed in the molten glass at 1000 ° C. (composition in percentage by weight: Si0 2 65.6; Al 2 0 3 1.7; Na 2 0 16.4; K 2 0 0.7 CaO 7.4; MgO 3.1; B 2 0 3 4.8).
  • the resistance of alloys to corrosion by glass is evaluated by measuring and the resistance polarization (Rp).
  • Fiberizing plates with a diameter of 400 mm and 600 mm respectively are then formed with the alloy according to the prior art C1 and with the alloy 11 according to the invention.
  • the plates are prepared by the technique of inductive fusion under an inert argon atmosphere: a molten charge of the chosen composition is prepared (that is to say II or Cl, see table 1 above) which is then put in shape by simple casting in sand mold.
  • the casting is followed by a 12 hour heat treatment at 865 ° C. precipitation of secondary carbides. This treatment is followed by quenching with blown air.
  • the capacity of the plates thus formed was evaluated in the fiberglass fiber drawing application. More specifically, the plates were placed on an industrial fiberizing line for a composition glass (in percentage by mass):
  • the plates are used until their stop is decided following the ruin of the plate, noted by a visible deterioration on it or by a quality of fiber produced become insufficiently good.
  • the lifetimes of the plates are shown in Table 1.
  • the results are given in tonnes of fiber material until the plate ruins.
  • the results reported in Table 3 are an average carried out on at least three plates of each category.

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Abstract

La présente invention concerne un alliage métallique pour utilisation à très haute température, notamment utilisable dans un procédé de fabrication de laine minérale par fibrage d'une composition minérale en fusion, caractérisé en ce qu'il contient les éléments suivants, les proportions étant indiquées en pourcentage pondéral de l'alliage : Cr 20 à 35 % Fe 0 à 6 % W 3 à 8 % Nb 0,5 à 3 % Ti 0 à 1 % C 0,4 à 1 % Co moins de 3 % Si moins de 1,5 % Mn moins de 1 % le reste étant constitué par du nickel et des impuretés inévitables.

Description

ALLIAGE POUR ASSIETTE DE FIBRAGE
La présente invention concerne un alliage métallique pour utilisation à très haute température, notamment utilisable dans un procédé de fabrication de laine minérale par fibrage d’une composition minérale en fusion, ou plus généralement pour la constitution d’outils doués de résistance mécanique à haute température en milieu oxydant tel que le verre fondu, et des alliages à base de nickel utilisables à haute température, notamment pour la réalisation d’articles pour l’élaboration et/ou la transformation à chaud du verre ou autre matière minérale, tels que des organes de machines de fabrication de laine minérale.
Une technique de fibrage, dite par centrifugation interne, consiste à laisser tomber continûment du verre liquide à l’intérieur d’un ensemble de pièces de révolution tournant à très grande vitesse de rotation autour de leur axe vertical. Une pièce maîtresse, dénommée « assiette », plus souvent désignée dans la technique sous le terme anglais « spinner », reçoit le verre contre une paroi dite « bande » percée de trous, que le verre traverse sous l’effet de la force centrifuge pour s’en échapper de toutes parts sous la forme de filaments fondus. Un brûleur annulaire situé au-dessus de l’extérieur de l’assiette, produisant un courant de gaz descendant longeant la paroi extérieure de la bande, dévie ces filaments vers le bas en les étirant. Ceux-ci se « solidifient » ensuite sous la forme de laine de verre.
L’assiette est un outil de fibrage très sollicité thermiquement (chocs thermiques lors des démarrages et arrêts, et établissement en utilisation stabilisée d’un gradient de température le long de la pièce), mécaniquement (force centrifuge, érosion due au passage du verre) et chimiquement (oxydation et corrosion par le verre fondu, et par les gaz chauds sortant du brûleur autour de l’assiette). Ses principaux modes de détérioration sont : la déformation par fluage à chaud des parois verticales, l’apparition de fissures horizontales ou verticales, l’usure par érosion des orifices de fibrage, qui nécessitent le remplacement pur et simple des organes. Leur matériau constitutif se doit donc de résister pendant un temps de production (ou temps de fibrage) suffisamment long pour rester compatible avec les contraintes techniques et économiques du procédé. On recherche à cet effet des matériaux doués d’une certaine ductilité, de résistance au fluage et résistance à la corrosion par le verre fondu et à l’oxydation à haute température. Des superalliages à base de nickel renforcés par précipitation de carbures sont connus pour la réalisation de ces outils. FR 2675818 décrit par exemple de tels alliages. La présente invention vise à fournir des alliages à base de nickel encore améliorés, permettant au final d’augmenter la durée de vie de l’outil constitué dudit alliage, notamment d’une assiette de fibrage constitué dans un tel alliage. L’alliage selon la présente invention présente ainsi de très bonnes propriétés de la résistance au fluage, à la corrosion et/ou à l’oxydation ce qui permet au final d’obtenir une telle durée de vie améliorée.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un alliage qui contient des éléments suivants, les proportions étant indiquées en pourcentage pondéral de l’alliage (bornes comprises) :
Cr 20 à 35 %
Fe 0 à 6 %
W 3 à 8 %
Nb 0,5 à 3 %
Ti 0 à 1 % C 0,4 à 1 %
Co 0 à 3 %
Si 0,1 à 1,5 %
Mn 0,1 à 1 %
le reste étant constitué par du nickel et des impuretés inévitables.
Par impuretés inévitables, on entend au sens de la présente invention que les éléments concernés ne sont pas présents de façon intentionnelle dans la composition de l’alliage mais qu’ils sont introduits sous la forme d’impuretés contenues dans au moins un des éléments principaux de l’alliage (ou dans au moins un des précurseurs desdits éléments principaux).
L’alliage selon la présente invention se différencie des alliages à base de nickel généralement utilisés pour de telles applications notamment en ce qu’il contient des carbures de niobium (NbC) et éventuellement de titane (TiC) ainsi qu’une quantité limitée de fer, voire pas de fer ou uniquement sous forme d’impuretés inévitables. La demande de brevet FR2675818 citée précédemment indique qu’une quantité de fer comprise entre 7 et 10 % dans les alliages à base de nickel est nécessaire, pour améliorer la résistance à la corrosion vis-à-vis du verre fondu, notamment vis-à-vis des composés soufrés contenus dans ledit verre fondu. De façon inattendue et même au contraire de ce qu’on pouvait attendre, les propriétés des compositions d’alliage selon la présente invention, c'est-à-dire présentant une proportion de fer beaucoup moins élevée que celle précédemment décrit (voire pas de fer ou uniquement sous forme d’impuretés inévitables) sont apparues supérieures à celles des alliages de l’art antérieur et en particulier la durée de vie des assiettes faites à partir d’un tel alliage s’est révélée supérieure, comme il sera démontré dans la suite de la description par les exemples fournis.
Parmi les éléments entrant dans la composition de l’alliage, on peut notamment citer (tous les pourcentages étant donnés par rapport au poids total de l’alliage) :
Le nickel est l’élément de base des alliages selon l’invention, dans le sens il représente plus de 50% poids de l’alliage. La teneur en nickel est de préférence supérieure ou égale 52 %, voire supérieure ou égale 54 %. De préférence encore la teneur en nickel est supérieure à 55%, ou même supérieure ou égale à 56%. De préférence encore la teneur en nickel est inférieure ou égale à 65%, voire inférieure ou égale à 63% ou même inférieure ou égale à 62%. L’alliage peut comprendre très préférentiellement une gamme comprise entre 55,5 et 60% en poids de nickel, ou même entre 56 et 60% en poids de nickel.
Le carbone est un constituant essentiel de l’alliage, nécessaire à la formation des précipités de carbures métalliques. En particulier, la teneur en carbone détermine directement la quantité de carbures présente dans l’alliage. Elle est d’au moins 0,4 % en poids pour obtenir le renfort minimum désiré, de préférence d’au moins 0,5 % en poids, mais préférentiellement limitée à au plus 1 % en poids, de préférence d’au plus 0,9 % en poids ou même d’au plus 0,8% en poids pour éviter que l’alliage ne devienne dur et difficile à usiner en raison d’une trop grande densité de renforts. Le manque de ductilité de l’alliage à de telles teneurs l’empêche d’accommoder sans se rompre une déformation imposée (par exemple d’origine thermique) et de résister suffisamment à la propagation des fissures. L’alliage peut comprendre très préférentiellement une gamme comprise entre 0,6 et 0,7% en poids de carbone. Tout particulièrement un alliage selon l’invention ayant montré de très bonnes performances, au sens précédemment décrit, comprend entre 0,55 et 1% poids de carbone. Le chrome contribue à la résistance mécanique intrinsèque de la matrice dans laquelle il est présent en partie en solution solide, et dans certains cas aussi sous forme de carbures essentiellement de type Cr23C6 en dispersion fine à l’intérieur des grains où ils apportent une résistance au fluage intragranulaire ou sous forme de carbures de type Cr7C3 ou Cr23C6 présents aux joints de grains, qui empêchent le glissement grain sur grain contribuant ainsi également au renforcement intergranulaire de l’alliage. Le chrome contribue à la résistance à la corrosion en tant que précurseur d’oxyde de chrome formant une couche protectrice à la surface exposée au milieu oxydant. Une quantité minimale de chrome est donc nécessaire pour la formation et le maintien de cette couche protectrice. Une teneur en chrome trop élevée est cependant néfaste à la résistance mécanique et à la ténacité aux températures élevées, car elle conduit à une rigidité trop élevée et une aptitude à l’allongement sous contrainte trop faible incompatible avec les contraintes à haute température. De préférence, la teneur en chrome d’un alliage utilisable selon l’invention est supérieure ou égale à 22%, voire supérieure ou égale à 25%, ou même supérieure ou égale à 28%. De préférence, la teneur en chrome d’un alliage utilisable selon l’invention est inférieure ou égale à 32%, voire inférieure ou égale à 30%.
L’alliage peut comprendre très préférentiellement une gamme comprise entre 28 et 30% en poids de chrome. Selon les expériences exécutées par la société déposante, le niobium, de même que le titane, semblent contribuer à la résistance mécanique de l’alliage, notamment à la résistance au fluage, à haute température, par exemple supérieure à l000°C, voire supérieur à l040°C. Les carbures de chrome ont en effet tendance à se dissoudre à des températures supérieures à l000°C. La présence de carbures de niobium et de titane, plus stables que les carbures de chrome à haute température, permet d’assurer la résistance mécanique de l’alliage à haute température. De plus la migration du chrome en surface pour former la couche de chromine protectrice nécessaire à la résistance à la corrosion, induit une diminution locale du chrome en subsurface et donc une disparition des carbures Cr7C3 et Cr23C6. La présence de carbures NbC contribue au maintien des propriétés mécaniques lors de la disparition des carbures de chrome. La teneur en niobium est de préférence supérieure ou égale 0,6 %, voire supérieure ou égale 0,7 %. De préférence encore la teneur en niobium est inférieure ou égale à 2,5%, voire inférieure ou égale à 2% ou même inférieure ou égale à 1,5%, et de manière très préférée inférieure à 1,2%, voire inférieure à 1,15% . L’alliage peut comprendre très préférentiellement une gamme comprise entre 0,8 et 1,2% en poids de niobium.
Une certaine proportion de titane peut contribuer également à la résistance mécanique de l’alliage à haute température par la formation de carbures de titane. Il a cependant été remarqué que la présence de titane pouvait affecter la résistance à l’oxydation de l’alliage. Ainsi, la teneur en titane est de préférence inférieure à 0,5 %, voire inférieure à 0,4 % en poids. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, l’alliage ne comprend pas de titane autrement que sous forme d’impureté inévitable, c’est-à-dire à des teneurs inférieures à 0,1 %, voire inférieure à 0,05 % ou même inférieure à 0,01 % en poids de l’alliage. Le ratio (Nb+Ti)/C en poids selon l’invention est de préférence compris entre 1 à 2, plus préférentiellement compris entre 1,5 à 2. Le ratio (Nb+Ti)/C en poids selon l’invention est en particulier compris entre 1,5 et 2,4.
Le tungstène contribue également, ensemble avec les autres métaux présents dans l’alliage et cités précédemment, à la dureté de l’alliage et à sa résistance au fluage. Le tungstène est présent dans une quantité supérieure ou égale à 3 %, de préférence encore supérieure ou égale à 4 % ou même supérieure ou égale à 5% en poids de l’alliage. Le tungstène est de préférence présent dans une quantité inférieure ou égale à 7 %, de préférence encore inférieure ou égale à 6 % en poids de l’alliage. L’alliage peut comprendre par exemple de 3 à 8 %, 4 à 7 %, et très préférentiellement entre 5 à 6 % en poids de tungstène.
Le cobalt peut être présent dans l’alliage sous forme d’une solution solide avec le nickel. Il est très souvent utilisé dans le domaine des aciers réfractaires à haute température dans les alliages réfractaires car il est connu qu’une telle solution solide contribue à la résistance à la corrosion et à la résistance mécanique de l’alliage dans son ensemble. Le cobalt étant cependant un élément onéreux, il est volontairement limité selon l’invention et présent dans une quantité inférieure à 3 %, voire inférieure à 2 % ou même inférieure à 1 % en poids de l’alliage. De façon surprenante, alors que la présence de cobalt en quantité suffisante est considérée comme requise dans le domaine des alliages réfractaires comprenant du nickel pour stabiliser celui-ci, il a été trouvé par la société déposante que, dans le cas précis de l’alliage objet de la présente invention, il est possible de limiter à l’extrême sa présence, en particulier à limiter sa présence uniquement sous forme d’impuretés inévitables. Le plus généralement, les essais effectués par le demandeur ont montré que le cobalt était pourtant quasiment toujours présent dans l’alliage sous la forme d’impureté inévitable à hauteur d’au moins 0,3 % en poids et le plus souvent d’au moins 0,5 % en poids, voire d’au moins 0,7 % en poids. Des pourcentages de cobalt dans l’alliage inférieurs à 0,3 % en poids, voire inférieurs aux seuils de détection, doivent cependant également être considérés comme compris dans le cadre de l’invention. Comme indiqué précédemment, la quantité de fer, considéré comme un élément essentiel dans le document de l’art FR2675818, est également limitée dans la présente invention. La teneur en fer est de préférence inférieure ou égale à 5 %, voire inférieure ou égale 4,5 % ou même inférieure ou égale à 4%. Selon un mode de réalisation de l’invention de l’invention, la teneur en fer est supérieure ou égale à 1%, voire supérieure ou égale à 2% ou même supérieure ou égale à 3%. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le fer peut n’être présent que sous forme d’impuretés inévitables.
Selon un autre mode de réalisation possible, la teneur en fer est comprise entre 4% et 6% en poids.
L’alliage peut avantageusement contenir d’autres éléments dans des proportions très minoritaires. Il comporte en particulier :
- du silicium en tant que désoxydant du métal fondu lors de l’élaboration et du moulage de l’alliage, à raison de préférence de moins de 1,1%, voire moins de 0,9 %, voire moins de 0,8 % en poids;
- du manganèse également désoxydant, à raison préférentiellement de moins de 0,9 %, voire moins de 0,6 % en poids;
La quantité cumulée des autres éléments introduits à titre d’impuretés avec les constituants essentiels de l’alliage (« impuretés inévitables ») représente avantageusement moins de 2% en poids de la composition de l’alliage, voire moins de 1% en poids de l’alliage.
Parmi les impuretés inévitables possibles et fréquentes, on peut citer le soufre ou le phosphore. Leur quantité individuelle ne dépasse en général pas 0,05% dans les alliages selon l’invention. L’alliage selon la présente invention se distingue également de certains alliages à base de nickel généralement utilisés pour la fabrication d’assiette de fibrage en ce qu’il ne contient pas d’aluminium autre que sous forme d’impureté inévitable, c’est-à- dire à des teneurs inférieures à 0,1 %, voire inférieures à 0,05 % ou même inférieures à 0,01 % en poids. Il a en effet été remarqué que la présence d’aluminium dans l’alliage, même à de faible quantité de l’ordre de 0,1 % en poids, pouvait affecter de façon importante sa résistance à la corrosion vis-à-vis du verre fondu.
L’alliage selon l’invention est également exempt de molybdène, hormis sous forme d’impureté inévitable, c’est-à-dire qu’il peut comprendre des teneurs inférieures à 0,1 %, voire inférieures à 0,05 % ou même inférieures à 0,01 % en poids de molybdène.
En effet, bien que le molybdène soit connu pour procurer une excellente résistance à la corrosion aux alliages à base de nickel, il a été observé que, même à de faibles teneurs, celui-ci pouvait affecter considérablement leur résistance à l’oxydation.
Dans un mode de réalisation particulier, l’alliage selon l’invention comprend en pourcentage poids :
Cr 22 à 31 %, de préférence 28 à 30 %
Fe 0 à 6 %, de préférence 3 à 4 %
W 4 à 7 %, de préférence 5 à 6 %
Nb 0,5 à 3 %, de préférence 0,8 à 1,2 %,
Ti 0 à 0,5 %, de préférence 0,1 à 0,3 %,
C 0,45 à 0,9 % de préférence 0,6 à 0,7 %,
Co moins de 3 % de préférence moins de 1%,
Si moins de 1,1 % de préférence de 0,6 à 0,8 %,
Mn moins de 0,8 % de préférence de 0,5 à 0,7 %,
le reste étant constitué par du nickel et des impuretés inévitables. En particulier le nickel peut avantageusement être présent dans des quantités allant de 54 à 62% poids et en particulier allant de 55 à 60% poids.
Les alliages utilisables selon l’invention, qui contiennent des éléments hautement réactifs, peuvent être mis en forme par fonderie, notamment par fusion inductive sous atmosphère au moins partiellement inerte et coulée en moule de sable.
La coulée peut éventuellement être suivie d’un traitement thermique.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un article par fonderie à partir des alliages décrits précédemment comme objet de l’invention.
Le procédé comprend généralement une étape de traitement thermique adéquat permettant l’obtention de carbures secondaires et leur répartition homogène dans la matrice métallique, tel que décrit dans FR 2675818. Le traitement thermique est de préférence réalisé à une température inférieure à l000°C, voire inférieure à 950°C, par exemple de 800°C à 900°C, pendant une durée d’au moins 5 heures, voire au moins 8 heures, par exemple de 10 à 20 heures. Le procédé peut comprendre au moins une étape de refroidissement, après la coulée et/ou après ou au courant d’un traitement thermique, par exemple par refroidissement à l’air, notamment avec un retour à la température ambiante.
Les alliages objets de l’invention peuvent être utilisés pour fabriquer toutes sortes de pièces sollicitées mécaniquement à haute température et/ou amenées à travailler en milieu oxydant ou corrosif. L’invention a encore pour objets de tels articles fabriqués à partir d’un alliage selon l’invention, notamment par fonderie.
Parmi de telles applications on peut citer notamment la fabrication d’articles utilisables pour l’élaboration ou la transformation à chaud du verre, par exemple des assiettes de fibrage pour la fabrication de laine minérale.
Ainsi l’invention a-t-elle également pour objet un procédé de fabrication de laine minérale par centrifugation interne, dans lequel on déverse un débit de matière minérale en fusion dans une assiette de fibrage dont la bande périphérique est percée d’une multitude d’orifices par lesquels s’échappent des filaments de matière minérale fondue qui sont ensuite étirés en laine sous l’action d’un gaz, la température de la matière minérale dans l’assiette étant d’au moins 900°C, voire au moins 950°C ou au moins l000°C, voire même au moins l040°C, et l’assiette de fibrage étant constituée d’un alliage tel que défini ci-dessus. Les alliages selon l’invention permettent donc de fibrer une matière minérale fondue ayant une température de liquidus (Tuq) de 800°C ou plus, par exemple de 850°C, voire 900°C à l030°C, voire l000°C, ou même 950°C.
La composition de la matière minérale à fibrer n’est pas particulièrement limitée du moment qu’elle peut être fibrée par un procédé de centrifugation interne. Elle peut varier en fonction des propriétés souhaitées pour les fibres minérales produites, par exemple les propriétés de biosolubilité, de résistance au feu ou d’isolation thermique. La matière à fibrer est de préférence une composition de verre de type boro-silico-sodo- calcique. Elle peut présenter notamment une composition qui renferme les constituants ci-après, dans les proportions pondérales définies par les limites suivantes :
Si02 35 à 80%,
Al203 0 à 30%,
CaO+MgO 2 à 35%,
N a20+K20 0 à 20%,
étant entendu qu’en général, S1O2+AI2O3 est compris dans le domaine allant de 50 à 80% en poids et que Na20+K20+B203 est compris dans le domaine allant de 5 à 30% en poids.
La matière à fibrer peut notamment présenter une la composition suivante en pourcentage massique:
Si02 50 à 75%,
AI2O3 0 à 8%,
CaO+MgO 2 à 20%,
Fe203 0 à 3%,
Na20+K20 12 à 20%,
B2O3 2 à 10%.
La matière à fibrer peut être élaborée à partir de constituants purs, mais est généralement obtenue par fusion d'un mélange de matières premières naturelles apportant différentes impuretés.
Bien que l’invention ait été décrite principalement dans ce cadre de la fabrication de laine minérale, elle peut être appliquée à l’industrie verrière en général pour réaliser des éléments ou accessoires de four, de filière, ou de feeder notamment pour la production de fils de verre textile, de verre d’emballage...
En dehors de l’industrie verrière, l’invention peut s’appliquer à la fabrication d’articles très divers, lorsque ceux-ci doivent présenter une résistance mécanique élevée en milieu oxydant et/ou corrosif, en particulier à haute température.
Les exemples qui suivent, nullement restrictifs des compositions selon l’invention ou des conditions de la mise en œuvre des assiettes de fibrage selon l’invention, illustrent les avantages de la présente invention.
EXEMPLES : Par la technique de fusion inductive sous atmosphère inerte (notamment argon) on prépare une charge fondue d’une composition II (selon l’invention) et Cl (selon FR 2675818) indiquées dans le tableau 1 que l’on met ensuite en forme par simple coulée en moule de sable. Le tableau 1 indique les proportions en pourcentage en poids de chaque élément dans l’alliage, le complément à 100% étant constitué par le nickel et les impuretés inévitables.
Tableau 1
* éventuellement présent sous forme d’impureté inévitable
La coulée est suivie par un traitement thermique de précipitation des carbures secondaires pendant 12 heures à 865°C, se finissant par un refroidissement à l’air jusqu’à la température ambiante.
De cette manière, des lingots de 200x110x25 mm ont été fabriqués.
Les propriétés de résistance au fluage, à l’oxydation et à la corrosion des alliages
II, et Cl ont ensuite été évaluées. La résistance au fluage a été mesurée par un test de fluage-traction sur des éprouvettes de 30,0 mm de longueur, 8,0 mm de largeur et 2,0 mm d’épaisseur . Les tests ont été réalisés à l000°C (température normale de fonctionnement d’une assiette, sous des charges de 45 MPa (correspondant à une sollicitation normale de l’assiette), 63 MPa (correspondant à une sollicitation extrême de l’assiette) et 100 MPa. Le tableau 2 indique la vitesse de fluage (dans le mode secondaire) en pm/h.
La résistance à l’oxydation dépend d’une part de la cinétique d’oxydation de l’alliage et d’autre part de la qualité d’adhésion de la couche d’oxyde formée sur la surface de l’alliage. Une mauvaise adhésion de la couche d’oxyde à la surface de l’alliage accélère en effet l’oxydation de celui-ci : lorsque la couche d’oxyde se détache, une surface d’alliage non oxydée est alors exposée directement à l’oxygène de l’air, ce qui provoque la formation d’une nouvelle couche d’oxyde, à son tour susceptible de se détacher, propageant ainsi l’oxydation. Au contraire, lorsque la couche d’oxyde reste adhérente à la surface de l’alliage, elle forme une couche barrière qui limite voire stoppe la progression de l’oxydation. Les constantes des vitesses d’oxydation Kp, exprimée en g.cm 2.s 1/2, ont été calculées à partir du suivi de gain de masse résultant de l’oxydation d’échantillons placés à l000°C pendant 50h dans un four équipé d’une microbalance sous flux d’air. Le tableau 2 indique ces constantes en g. cm -2.s 1/2. Les essais de résistance à la corrosion sont réalisés à l’aide d’un montage à trois électrodes immergées dans un creuset en platine -rhodié contenant le verre fondu. Le creuset en platine rhodié est utilisé comme contre-électrode. L’électrode de comparaison est classiquement l’électrode de zircone stabilisée alimentée en air. Les échantillons cylindriques d’alliages à évaluer ayant subi un traitement thermique à l’air pendant 2h à l000°C, sont scellés par du ciment de zircone à une gaine d’alumine pour former l’électrode de travail. L’échantillon constituant l’électrode de travail est monté sur un axe tournant afin de représenter les efforts de friction du verre sur la surface de l’alliage et immergé dans le verre fondu à l000°C (composition en pourcentage en poids : Si02 65,6 ; Al203 1,7 ; Na20 16,4 ; K20 0,7 CaO 7,4 ; MgO 3,1 ; B203 4,8). La résistance des alliages à la corrosion par le verre est évaluée en mesurant et la résistance de polarisation (Rp). Pour mesurer le potentiel de corrosion (Ec), aucun courant n’est imposé entre l’électrode de travail et la contre-électrode et le potentiel mesuré entre l’électrode de travail et l’électrode de comparaison est celui du couple métal/verre à la température donnée. Cette information thermodynamique permet de déterminer les réactions de corrosion et le caractère passivable du métal étudié. La mesure de la résistance de polarisation (Rp) est obtenue en faisant varier périodiquement le potentiel électrique au voisinage du potentiel Ec et en mesurant l’évolution de la densité de courant résultant. La pente de la courbe intensité-potentiel enregistrée sur ce domaine est inversement proportionnelle à Rp. Plus Rp (exprimée en ohm.cm2) est grande, plus le matériau est résistant à la corrosion, la vitesse de dégradation étant inversement proportionnelle à Rp. La détermination de Rp permet ainsi d’évaluer comparativement la vitesse de corrosion des alliages.
Tableau 2
Par la comparaison des données reportées dans le tableau 2, on observe, pour l’alliage II selon l’invention, une résistance au fluage significativement améliorée par rapport à l’alliage Cl et des résistances à la corrosion et à l’oxydation sensiblement équivalentes à celle de l’alliage Cl. De plus la stabilité des carbures NbC lors du processus de migration du chrome permet de conserver les propriétés mécaniques nécessaires à la bonne tenue du matériau et prendra tout son sens lors de l’analyse des résultats de l’application de cet alliage aux assiettes de fibrage.
Des assiettes de fibrage respectivement de diamètre 400 mm et 600 mm sont ensuite constituées avec l’alliage selon l’art antérieur Cl et avec l’alliage 11 selon l’invention.
Les assiettes sont préparées par la technique de fusion inductive sous atmosphère inerte d’argon : on prépare une charge fondue de la composition choisie (c'est-à-dire II ou Cl, voir le tableau 1 précédent) que l’on met ensuite en forme par simple coulée en moule de sable.
La coulée est suivie par un traitement thermique de 12 heures à 865°C de précipitation des carbures secondaires. Ce traitement est suivi d’une trempe à l’air soufflé.
De cette manière, des séries d’assiette de fibrage de 400 mm et 600 mm de diamètre sont fabriquées dans les deux alliages.
La capacité des assiettes ainsi formées a été évaluée dans l’application de fibrage de laine de verre. Plus précisément les assiettes ont été placées sur une ligne industrielle de fibrage d’un verre de composition (en pourcentage massique) :
II s’agit d’un verre dont la température de liquidus est de 900°C.
Les assiettes sont utilisées jusqu’à ce que leur arrêt soit décidé suite à la ruine de l’assiette, constatée par une détérioration visible sur celle-ci ou par une qualité de fibre produite devenue insuffisamment bonne.
Les durées de vie des assiettes sont reportées dans le tableau 1. Les résultats sont indiqués en tonnes de matériau fibrés jusqu’à la ruine de l’assiette. Les résultats reportés dans le tableau 3 sont une moyenne effectuée sur au moins trois assiettes de chaque catégorie.
Tableau 3
On voit dans le tableau 3 que les assiettes faites avec les alliages selon l’invention présentent toujours, pour des conditions d’utilisation comparables, les durées de vie les plus longues.

Claims

REVENDICATIONS
1. Alliage, caractérisé en ce qu’il contient les éléments suivants, les proportions étant indiquées en pourcentage pondéral de l’alliage (bornes comprises) :
Cr 20 à 35 %
Fe 0 à 6 %
W 3 à 8 %
Nb 0,5 à 3 %
Ti 0 à 1 %
C 0,4 à 1 %
Co 0 à 3 %
Si 0,1 à 1,5 %
Mn 0,1 à 1 %
le reste étant constitué par du nickel et des impuretés inévitables.
2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend moins de 0,5 % poids de Ti, de préférence moins de 0,4 % poids de Ti.
3. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend entre 0,6 % et 0,9 % en poids de carbone, de préférence entre 0,6 et 0,7% en poids de carbone.
4. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ratio (Nb+Ti)/C est de 1 à 2, de préférence de 1,5 à 2.
5. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend entre 22 et 32% en poids de chrome, de préférence entre 28 et 30 % en poids de chrome.
6. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend entre 3 et 4 % en poids de fer.
7. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend entre 4 et 6 % en poids de fer. 8. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce caractérisé en ce qu’il comprend de 0,6 à 2,0 % en poids de niobium, de préférence de 0,
8 à 1,2 % en poids de niobium.
9. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend entre 4 et 7% en poids de tungstène, de préférence entre 5 et 6 % en poids de tungstène.
10. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend moins de 2 % en poids de cobalt et de préférence moins de 1 % en poids de cobalt.
11. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend entre 55% et 65% en poids de nickel, de préférence entre 56 et 62% de nickel.
12. Alliage selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend moins de 1,1% poids de silicium.
13. Article pour la transformation du verre, réalisé en un alliage selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, notamment par fonderie
14. Article pour la fabrication de laine minérale réalisé en un alliage selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, notamment par fonderie.
15. Assiette de fibrage pour la fabrication de laine minérale réalisée en un alliage selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, notamment par fonderie.
16. Procédé de fabrication de laine minérale par centrifugation interne, dans lequel on déverse un débit de matière minérale en fusion dans une assiette de fibrage selon la revendication précédente dont la bande périphérique est percée d’une multitude d’orifices par lesquels s’échappent des filaments de matière minérale fondue qui sont ensuite étirés en laine sous l’action d’un gaz, la température de la matière minérale dans l’assiette étant d’au moins l000°C.
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