FR2550226A1 - Acier inoxydable martensitique susceptible de durcissement structural - Google Patents

Acier inoxydable martensitique susceptible de durcissement structural Download PDF

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Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A LA SIDERURGIE. ELLE CONCERNE UN ACIER INOXYDABLE MARTENSITIQUE SUSCEPTIBLE DE DURCISSEMENT STRUCTURAL, AYANT UNE EXCELLENTE TENACITE ET CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND, EN POIDS, AU MAXIMUM 0,08 DE C, 0,5 A 4,0 DE SI, AU MAXIMUM 4,0 DE MN, 5,0 A 9,0 DE NI, 10,0 A 17,0 DE CR, PLUS DE 0,3 ET AU MAXIMUM 2,5 DE MO, 0,15 A 1,0 DE TI, AU MAXIMUM 1,0 D'AL AU MAXIMUM 0,03 DE N, LE RESTE ETANT FORME DE FE ET D'IMPURETES ACCIDENTELLES INEVITABLES. UTILISATION NOTAMMENT POUR LA FABRICATION DE RESSORTS.

Description

-1 L'invention concerne un acier inoxydable martensitique susceptible de
durcissement structural qui 5 a une faible dureté avant vieillissement et présente une grande résistance mécanique et une bonne ténacité après vieillissement. Quand on fabrique des ressorts en acier inoxydable de grande résistance mécanique, cela comporte un 10 poinçonnage et un formage Il est donc désirable que le matériau ait une faible dureté avant le traitement de vieillissement et une grande dureté après le traitement
de vieillissement.
Toutefois, les aciersinoxydables écrouissables 15 représentés par l'acier AISI 301 et les aciers inoxydables susceptibles de durcissement structural représentés par l'acier 17-7 PH, qui sont utilisés classiquement pour la fabrication de ressorts, doivent être travaillés énergiquement à froid afin d'augmenter la dureté après vieillissement En conséquence, la dureté à l'état travaillé à froid, avant vieillissement, est inévitablement élevée Autrement dit, ils sont défectueux en ce sens qu'on ne peut pas régler séparément la dureté avant vieillissement et la dureté après vieillissement Ces 25 aciers ont un autre défaut, à savoir que leur fabrication comporte des difficultés et que, pourtant, on ne
peut pas réaliser une dureté satisfaisante après vieillissement.
Dans ces conditions, on a mis au point précé30 demment un acier inoxydable ayant la composition indiquée ci-dessous, qui présente une structure martensitique après traitement de mise en solution ou-après un travail léger et dans lequel le défaut susdit est atténué Cette invention est décrite dans la demande de 35 brevet japonais n 34138/80 (mise à l'exposition
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publique sous le n 130459/81).
L'acier contient, en poids, plus de 0,03 % et au maximum 0,08 % de C, au maximum 0,03 % de N, 0,3 à 2,5 % de Si, au maximum 4,0 % de Mn, 5,0 à 9,0 % de Ni, 12,0 à 5 17,0 % de Cr, 0,1 à 2,5 % de Cu, 0,2 à 1,0 % de Ti et au maximum 1,0 % d'Aú, le reste étant formé de Fe et d'impuretés accidentelles inévitables, les quantités de C, Ti, Mn, Ni, Cr, Cu et AM étant ajustées de façon que la valeur de A', définie par l'expression: A' = 17 x (%C/%Ti) + 0,70 x (%Mn) + 1 x (%Ni) + 0,60 x (%Cr) + 0,76 x (%Cu) 0,63 x (%AO
+ 20,871
soit inférieure à 42,0, et les quantités de Mn, Ni, Cu, Cr, Ti, AM et Si étant ajustéesde façon que la valeur de écuivalent Cr/équivalent Ni, définie par la relation: éq Cr _ 1 x (%Cr) + 3,5 x (%Ti +^A^) + 1,5 x (%Si) eq Ni 1 x (%Ni) + 0,3 x (%Cu) + 0,65 x (%Mn) ne dépasse pas 2,7, et que la valeur de A Hv définie par la relation: A Hv = 205 x l%Ti 3 x (%C + %N)l + 205 x l(%Ai 2 x (%N)l + 57,5 x (%Si) + 20,5 x (%Cu) + 20 soit dans la gamme de 120 à 210, et que l'acier présente
une structure substantiellement martensitique après traitement de mise en solution ou après un travail à 25 froid ne dépassant pas 50 %.
Cet acier mis au point antérieurement est excellent par son aptitude au poinçonnage et au formage et il présente des propriétés satisfaisantes en tant que matériaux pour ressorts quand on ajuste A Hv (la
différence entre les duretés avant et après vieillissement) à environ 200 Cet acier peut être fabriqué facilement puisqu'il ne faut pas de travail énergique à froid.
Toutefois, en comparaison des aciers de vieillissement martensitiques, représentés par l'acier de vieillissement martensitique 18 Ni, cet acier est légèrement inférieur par sa ténacité quand on l'utilise pour des ressorts ou pour des constructions dans le
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domaine de l'acier de haute résistance (résistance à
la traction sur éprouvette entaillée environ 1863 M Pa).
On a fait des études pour améliorer la ténacité de cet acier mis au point antérieurement et on a 5 trouvé que l'on peut conserver la ténacité de l'acier à une grande résistance par addition de Mo Autrement dit, on a trouvé que la ténacité du matériau peut être bien conservée par l'addition de Mo, même si A Hv (degré de vieillissement), qui était limité à 210 au 10 maximum compte tenu de la ténacité de l'acier mis au point antérieurement, est élevé à plus de 210 On a trouvé aussi que l'on peut obtenir une augmentation de résistance par addition de Mo sans être lié par l'effet de durcissement par précipitation de Cu, sauf quand Cu 15 est nécessaire à l'amélioration de la résistance à la
corrosion par une atmosphère sulfureuse.
L'invention concerne un acier inoxydable susceptible de durcissement structural, ayant une excellente ténacité et caractérisé en ce qu'il comprend, 20 en poids, au maximum 0,08 % de C, 0,5 à 4,0 % de Si, au maximum 4,0 % de Mn, 5,0 à 9,0 % de Ni, 10,0 à 17,0 % de Cr, plus de 0,3 % et au maximum 2,5 % de Mo, 0,15 à 1,0 % de Ti, au maximum 1,0 % d'AZ au maximum 0,03 % de N, le reste étant formé de Fe et d'impuretés accidentelles inévita25 bles ainsi qu'un acier qui contient 0,3 à 2,5 % de Cu en
plus des ingrédients indiqués ci-dessus.
Dans des modes de réalisation préférés, l'acier contient au maximum 0,06 % de C, 1,0 à 3,5 % de Si, au maximum 1,0 % de Mn, 6,0 à 8,0 % de Ni, 11, 0 à 15,0 % de Cr, 30 0,4 à 2,0 % de Mo, 0,2 à 0,8 % de Ti, au maximum 0,5 % d'Aú et au maximum 0,025 % de N. Dans des modes de réalisation encore plus préférés, l'acier contient au maximum 0,045 % de C, 1,0 à 2,5 % de Si, au maximum 0,5 % de Mn, 6,0 à 7,5 % de Ni, 35 12,0 à 14,5 % de Cr, 0, 5 à 1,5 % de Mo, 0,2 à 0,6 % de Ti, au maximum 0,1 % d'AM et au maximum 0, 020 % de N. Une teneur préférée en Cu est de 0,3 à 2,00 %
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et, mieux encore, de 0,3 à 1,5 %.
Les raisons pour lesquelles on définit la composition comme ci-dessus sont les suivantes:
( 1) C
Dans l'acier mis aupoint antérieurement, la teneur en C était définie comme dépassant 0,03 % et ne dépassant pas 0,08 % Dans la présente invention, elle
est simplement définie comme ne dépassant pas 0,08 %.
Dans l'invention antérieure, la ténacité après durcisse10 ment par vieillissement dépendait du degré de durcissement par vieillissement A Hv et il fallait plus de 0,03 % de C pour assurer une grande dureté avant vieillissement
afin d'obtenir une grande résistance après vieillissement.
Mais dans la présente invention, cela n'est plus néces15 saire par suite de l'addition de Mo Une bonne ténacité peut être conservée après vieillissement pour des
valeurs de A Hv d'au moins 210, pour lesquelles la ténacité se dégradait dans l'acier mis au point précédemment.
La limite supérieure de la teneur en C est de 0,08 %, de 20 même que dans l'acier mis au point antérieurement, étant donné que dans la gamme supérieure à 0,08 % de C, la phase martensitique trempée de la matrice devient dure et il faut une grande quantité de Ti pour fixer C, ce
qui n'est pas économique.
( 2) Si Comme dans le cas de l'acier mis au point antérieurement, on durcit l'acier par précipitation fine d'un composé intermétallique formé de Ni, Ti et Si Quand la teneur e Si est inférieure à 0,5 %, son effet est léger. 30 Si Si/contenu en quantité supérieure à environ 4,0 %, il n'y a pas d'effet notable en comparaison de l'addition de 4,0 % et cela favorise la formation de 6-ferrite Donc,
la teneur en Si est définie comme étant de 0,5 à 4,0 %.
( 3) Mn Mn contribue à l'inhibition de la formation de
f-ferrite Toutefois,-si l'on ajoute Mn en grande quantité, de l'austénite est retenue en grande quantité.
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Par un compromis, on définit la teneur en Mn comme ne
dépassant pas 4,0 % Accessoirement, Mn inhibe la formation de 6-ferrite comme Ni et, par suite, Mn peut remplacer une partie de Ni.
( 4) Ni Ni favorise le durcissement structural et inhibe la formation de S-ferrite Toutefois, l'addition d'une grande quantité de ce corps augmente la quantité d'austénite retenue Dans le cas de la présente inven10 tion, il faut au moins 5,0 % de Ni pour assurer le durcissement structural, mais il ne faut pas qu'il dépasse environ 9,0 % afin de limiter la quantité d'austénite conservée. ( 5) Cr Il faut généralement au moins environ 10-,0 % de Cr pour obtenir la résistance à la corrosion Mais l'addition d'une grande quantité de Cr augmente la quantité de a- ferrite et d'austénite retenue et, par
suite, la limite supérieure est définie comme étant de 20 17,0 %.
( 6) Mo On ajoute Mo afin d'améliorer la ténacité, il faut pour cela plus de 0,3 % de Mo Toutefois, l'addition de plus de 2,5 % ne donne pas d'effet correspondant, 25 en comparaison de l'addition de 2,5 %, et élève le prix de l'acier En outre, l'addition de Mo à raison de plus de 2,5 % augmente la formation de S-ferrite La limite
supérieure est donc définie comme étant de 2,5 %.
( 7) Ti On ajoute Ti afin de causer le durcissement structural Son effet n'est pas suffisant quand on
ajoute moins de 0,15 % de Ti, tandis que l'addition de plus d'environ 1,0 % de Ti rend l'acier dur et cassant.
Ainsi, la teneur en Ti est définie comme étant de 0,15 35 à 1,0 %.
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( 8) AM
Comme Ti, on ajoute Aú pour induire le durcissement structural Une addition supérieure à environ 1,0 % diminue la ténacité et, donc, la limite supérieure est définie comme étant de 1,0 % D'autre part, At peut remplacer une partie de Ti.
( 9) N
N a une forte affinité pour Ti et AZ, qui causent le durcissement structural et, donc, il nuit à 10 l'effet de l'addition de Ti et AR D'autre part, de hautes teneurs en N causent la formation de grandes inclusions de Ti N et diminuent la ténacité Ainsi, une basse teneur en N est préférable et elle est limitée à
0,03 % au maximum.
( 10) Cu Dans le cas de la présente invention, on peut obtenir une résistance considérable même si l'on n'a pas recours à l'effet de précipitation de Cu Toutefois, dans des environnements corrosifs du type du 20 dioxyde de soufre, on n'obtient pas une résistance suffisante à la corrosion au moyen de Cr et, donc, on ajoute Cu L'addition d'au moins 0,3 % de Cu est nécessaire pour assurer la résistance à la corrosion par les gaz du type du dioxyde de soufre La limite supérieure 25 est définie comme étant de 2,5 %, étant donné qu'une plus grande quantité de Cu cause une fragilité à chaud et nuit donc à l'aptitude au travail à chaud et cause
des fissurations superficielles.
L'acier de la présente invention, qui a la 30 composition sus-décrite, présente pratiquement une structure de martensite à l'état travaillé à froid
jusqu'à 50 %.
La figure 1 est un graphique montrant la relation entre la dureté et la résistance à la traction 35 sur éprouvette entaillée d'un acier selon l'invention (éprouvette n 3) et d'un acier de comparaison (éprouvette n 8) après divers temps de vieillissement
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à 480 C;
la figure 2 est une micrographie d'une surface de fracture de l'éprouvette d'acier susdite selon l'invention, qui avait été soumise à l'essai de trac5 tion après vieillissement à 480 C pendant 1 heure; la figure 3 est une micrographie d'une surface de fracture de l'éprouvette d'acier de comparaison susdite, essayée dans les mêmes conditions; la figure 4 est un graphique indiquant la relation entre le degré de durcissement par vieillissement AHV et le rapport de la résistance à la traction sur éprouvette entaillée à la résistance à la traction des aciers de l'invention et des aciers de comparaison
indiqués au tableau 1.
Tableau 1
(% en poids) EprouI I vette l n o C Si Mn Ni Cr Cu Mo Ti A N
1 0,040 1,44 0,29 7,36 14,70 1,01 0,51 0,49 0,022 0010
Aciers 2 0,010 3,13 0,33 7,01 12,33 0,08 1,03 0,21 0,025 0,014 selon l'invention 3 0,009 1,68 0,33 7,02 13,78 0,06 1,02 0,56 0,018 0,018
4 0,009 1,60 0,34 6,50 14,85 2,03 0,57 0,39 0,030 0,014
0,045 1,64 0,22 * 6,75 14,10 0,04 1,05 0,74 0,020 0,016
6 0,037 0,55 0,32 7,10 14,31 0,06 2,11 0,81 0,022 0,015
7 0,035 1,50 0,32 7,10 14,70 0,55 0,70 0,024 0,012
Aciers de comparaison
8 0,036 1,49 0,32 7,44 14,94 1,08 0,57 0,020 0,009
_ _ Oe vi C) ru r') 0 %
Tableau 2
Résistance à la Augmentation de traction sur éprouEprou Dureté après dureté par vette entaillée vette vieillissement vieillissement après vieillissement -n (Hv = 30 kg) (A Hv) (M Pa)
1 545 193 1952
2 554 186 2040
3 550 207 1922
Aciers 4 547 222 1971 selon l'invention 5 587 235 1942
6 542 203 1912
Airde 7 590 232 1128 Aciers de 59 comparaison 8 565 217 1569 n r I ro o)
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On explique maintenant l'invention par des
exemples concrets.
Les compositions chimiques des aciers essayés sont indiquées au tableau 1 Les éprouvettes n 1 à 6 sont des aciers de l'invention et les éprouvettes n 7 et 8 sont des aciers de comparaison qui ne contiennent pas le Mo qui caractérise l'invention, et sont ajustées de façon que A Hiv soit supérieur à 210, ce qui était la limite supérieure pour l'acier mis au point antérieure10 ment, et l'acier présente une grande résistance apres vieillissement. Le tableau 2 indique la dureté, l'augmentation de dureté par vieillissement et la résistance à la traction sur éprouvette entaillée des aciers cités au tableau 1, qui ont été soumis à un traitement de mise en solution, laminés à froid jusqu'à 1,0 mm d'épaisseur
et vieillis à 480 C pendant 1 heure.
Il est évident d'après le tableau 2 que les
aciers de la présente invention et les aciers de compa20 raison Ont une dureté similaire après vieillissement.
Toutefois, les aciers de l'invention ont une résistance à la traction sur éprouvette entaillée très supérieure
à celle des aciers de comparaison (considérer les éprouvettes n 5 et 7 par exemple).
La figure 1 indique la relation entre dureté et résistance à la traction sur éprouvette entaillée, pour l'éprouvette n 3 (acier de l'invention) et l'éprouvette n 8 (acier de comparaison) qui ont presque la même composition, excepté pour Mo Dans le cas de l'acier 30 de l'invention, à mesure que la dureté augmente, la résistance à la traction sur éprouvette entaillée augmente aussi, c'est-à-dire que la ténacité est bien conservée à une grande dureté Par contre, dans l'acier de comparaison, la résistance à la traction sur éprou35 vette entaillée augmente jusqu'à ce que la dureté atteigne un niveau d'environ 520 Hv, mais diminue rapidement à une dureté plus grande, c'est-à-dire que l 2550226
l'acier se fragilise.
Les figures 2 et 3 montrent respectivement la surface de fracture de l'acier de l'invention et de l'acier de comparaison utilisé pour l'essai de résis5 tance à la traction sur éprouvette entaillée tel qu'il est représenté par la figure 1 La surface de fracture de l'acier de l'invention présente des crevasses mais celle de l'acier de comparaison présente des fractures intergranulaires et des fractures de clivage Ces sur10 faces de fracture suggèrent aussi que le premier açier
a une bonne ductilité et que le second est fragile.
On considère que Mo contribue à consolider les limites
de grains.
La figure 4 est un graphique représentant le 15 degré de durcissement par vieillissement A Hv et le rapport de la résistance à la traction sur éprouvette entaillée à la résistance à la traction des aciers de l'invention n 1 à 6 et des aciers de comparaison N O 7 et 8 Dans le cas de l'acier mis au point antérieurement, 20 ce rapport s'abaisse à moins de 1,0 pour une dureté Hv de 210 et davantage Par contre, dans l'acier de l'invention, ce rapport se maintient bien au-dessus de 1,0,
même pour A Hv = 240 ou davantage.
Comme on l'a décrit plus haut, l'acier de l'in25 vention est de faible dureté et a une excellente aptitude au formage et au poinçonnage avant vieillissement et il a une excellente ténacité, même quand l'acier est durci par vieillissement On utilise l'acier comme matériau non seulement pour des ressorts pour lesquels on exige des 30 caractéristiques telles qu'une excellente valeur limite de ressort, une excellente valeur limite de rupture par fatigue, etc, mais aussi pour des tôles épaisses pour
lesquelles on exige un haut niveau de ténacité.

Claims (3)

REVENDICATIONS
1 Acier inoxydable martensitique susceptible de durcissement structural, ayant une excellente ténacité et caractérisé en ce qu'il comprend, en poids, au maximum 0,08 % de C, 0,5 à 4,0 % de Si, au maximum 4,0 % de Mn, 5,0 à 9,0 % de Ni, 10,0 à 17,0 % de Cr, plus de 0,3 % et au maximum 2,5 % de Mo, 0,15 à 1,0 % de Ti, au maximum 1,0 % d'Aú au maximum 0,03 % de N, le reste étant
formé de Fe et d'impuretés accidentelles inévitables.
2 Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient, en poids;aumaximum 0,06 % de C, 1,0 à 3,5 % de Si, au maximum 1,0 % de Mn, 6, 0 à 8,0 % de Ni, 11,0 à 15,0 % de Cr, 0,4 à 2,0 % de Mo, 0,2 à 0,8 % de Ti, au maximum 0,5 % d'Ai et au maximum 0,025 % de N. 3 Acier selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il contient, en poids, au maximum 0, 045 % de C, 1,0 à 2,5 % de Si, au maximum 0,5 % de Mn, 6,0 à 7,5 % de Ni, 12,0 à 14,5 % de Cr, 0,5 à 1,5 % de Mo, 0,2 à 0,6 % de Ti, au maximum 0,1 % d'Ai et au maximum 0,020 % de N. 4 Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient également de 0,3 à 2,5 %, en poids,
de Cu.
Acier selon la revendication 2, caractérisé
en ce qu'il contient également de 0,3 à 2,00 %, en poids, 25 de Cu.
6 Acier selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il contient également de 0,3 à 1,5 %, en poids,
de Cu.
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