FR2589482A1 - Tole ou bande en acier ferritique inoxydable, en particulier pour systemes d'echappement - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UNE TOLE OU BANDE EN ACIER FERRITIQUE INOXYDABLE DE COMPOSITION ( EN POIDS): (CN) 0,060 - SI 0,9 - MN 1 - CR 15 A 19 - MO 1 - NI 0,5 - TI 0,1 - CU 04 - S 0,02 - P 0,045 - ZR 0,10 A 0,50 AVEC ZR COMPRIS ENTRE 7 (CN) - 0,1 ET 7 (CN) 0,2 - NB COMPRIS ENTRE 0,25 ET 0,55 SI ZR 7 (CN), COMPRIS ENTRE 0,25 7 (CN) - ZR ET 0,55 7 (CN) - ZR SI ZR 7 (CN) - AL 0,020 A 0,080 - AUTRES ELEMENTS ET FE: LE SOLDE, DANS LAQUELLE AL EST ESSENTIELLEMENT EN SOLUTION SOLIDE. LE PROCEDE DE FABRICATION DE LA TOLE OU BANDE COMPORTE UN RECUIT FINAL EFFECTUE ENTRE 980 ET 1020C, TYPIQUEMENT 0,5 A 5MN ENTRE 990 ET 1010C. LA BANDE OU TOLE DE L'INVENTION EST UTILISEE POUR TOUTE APPLICATION DEMANDANT UN COMPROMIS ECONOMIQUE DE DUCTILITE (TOLE ET SOUDURES), DE RESISTANCE A CHAUD ET DE RESISTANCE A LA CORROSION, PAR EXEMPLE DANS LES COLLECTEURS D'ECHAPPEMENT AUTOMOBILE.
Description
TOLE OU BANDE EN ACIER FERRITIQUE INOXYDABLE, EN PARTICULIER POUR
SYSTEMES D'ECHAPPEMENT
L'invention concerne le domaine des- produits laminés en acier ferritique
inoxydable, et plus particulièrement celui des systèmes d'échappement.
EXPOSE DU PROBLEME
La fabrication et la tenue en service des systèmes d'échappement, par exemple
des collecteurs et tubes d'échappement automobile, comporte un certain nom-
bre d'exigences difficiles à satisfaire simultanément et de façon économique: - bonne ductilité des soudures sans métal d'apport pour la conformation en pièces et la fatigue, - bonne résistance au fluage à chaud (SAGTEST); - bonne résistance à l'oxydation à chaud, continue ou cyclique, aussi bien pour la pleine tôle que pour les soudures; - bonne résistance à la corrosion, en particulier vis-à-vis des projections
d'eau salée provenant du s-alage des routes pendant l'hiver.
La demanderesse a essayé d'améliorer les compromis de propriétés obtenus avec les tôles ou bandes des nuances déjà connues et plus particulièrement avec les nuances ferritiques inoxydables stabilisées au Nb et/ou au Zr, et cela surtout en ce qui concerne la résistance au fluage et à l'oxydation à chaud. Les nuances ferritiques inoxydables sont supérieures aux nuances
austénitiques à cause de leur coefficient de dilatation thermique.
ETAT DE LA TECHNIQUE CONNU
Le brevet US-A-4 010 049 concerne un acier ferritique inoxydable de compo-
sition: C 0,10 % maximum; Cr 11 à 30 %; Mo 3 % max; Nb (columbium) 0,1 % total à 0,3 % en solution solide et pas moins de 7,7xC% - (Zr%-6,5xN %); Zr 6,5 N% à 0,25 % + (7,6 % C + 6,5 % N); Fe et impuretés résiduelles le solde. Ce document donne plusieurs indications sur le rôle de Zr et de Nb: - l'ordre de facilité de formation des nitrures et carbures est le suivant: "nitrure de Zr, carbure de Zr, carbure de Nb et nitrure de Nb", C et N sont donc piégés préférentiellement par Zr, et de façon plus- stable que par Nb; - le zirconium dépassant de plus de 0,25 % la quantité requise pour se
combiner avec C et N entraîne une détérioration sensible de la ductili-
té et de la résistance à la corrosion; - le niobium en solution solide ne doit pas excéder 0,3 % sinon il con- duit à une mauvaise ductilité des soudures, la fragilité pouvant être
due à la formation d'un composé intermétallique Nb2 (Fe,Cr)3.
Dans la communication présentée au Congràs de la S.A.E. à Détroit, Mi-
chigan les 23-27 Février 1981 ("Influence of Columbium on the 870 C Creep Properties of 18 % Chromium Ferritic Stainless Steels"), John N. JOHNSON étudie la résistance au fluage-par traction à 870 C de différents aciers
ferritiques inoxydables à 18 % Cr contenant Ti+Nb et constate qu'on amé-
liore les résultats- de fluage en recuisant à nouveau les- échantillons (déjà recuits en usine) à des températures allant de 1040 à 1150 C, par
exemple 30 mn à 1095 C. Les matériaux ayant des teneurs en Nb non combi-
né de 0,3 à 0,6 Z comportent beaucoup de précipités intergranulaires à
base de Nb et l'effet du second recuit a été de dissoudre ces précipi-
tés et d'augmenter la taille de grain.
Deux documents indiquent l'influence d'une addition d'Al. La demande de brevet FR-A-2 463 194 concerne des aciers ferritiques à 1 à 20 % Cr et au Ti, Nb avec 0;5 à 2 % d'Al, dans lesquels une teneur minimale en Al de 0, 5 % et de préférence de 0,75 % est nécessaire pour assurer la résistance à l'oxydation à température élevée. Au-delà de 2 %, Al a un effet nuisible sur l'aptitude au soudage. Dans la demande de brevet JP-A- 82/146440, un acier ferritique inoxydable contient 0,08 à 0,5 Z Al et un ou plusieurs
des éléments B (2-50 ppm), Ti (0,005-0,4 %), Nb (0,005-0,4 %), V (0,005-
0,4 %) et Zr (0,005-0,4 %), et Al y entraîne des modifications de struc-
ture aux divers stades de la transformation en tôle avec une augmentation -
de la "ridging resistance" (résistance au phénomène de cordage ou de chif-
fonnage).
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention a pour objet une tôle ou une bande en acier ferritique inoxydable, habituellement à l'état recuit, l'opération de recuit final étant alors
le plus souvent suivie d'une passe de finition et d'écrouissage ou "skin-
pass" produisant un allongement de moins de I %, et destinée en particu-
lier à la fabrication de collecteurs et tubes d'échappement. Cette tôale ou bande a pour composition (% en poids): (C+N) < 0,060 - Si < 0,9 - Mn < 1
Cr 15 à 19 - Mo < 1 - Ni < 0,5 - Ti < 0,1 - Cu < 0,4 - S < 0,02 -
P < 0,045
Zr = 0,10 a 0,50 avec Zr compris entre 7 (C+N) - 0,1 et 7 (C+N) + 0,2 Nb compris entre 0,25 et 0,55 si Zr A 7 (C+N) et compris entre 0,25 + 7 (C+N) - Zr et 0,55 + 7 (C+N) - Zr si Zr ( 7 (O+N)
Al 0,020 à 0,080 - autres éléments et Fe: le solde.
Zr est consommé par la stabilisation, c'est-à-dire par le piégeage de C et N sous forme de nitrures et de carbures, jusqu 'à concurrence de environ 7 (C+N) %. Le Zr libre est donc limité à 0,2 %, ce qui permet d'éviter les inconvénients liés h la formation de composés eutectiques contenant Fe3Zr
dans le cas o il y a plus de 0,25 % de Zr libre, ces composés entraînant.
une dégradation des caractéristiques mécaniques, en particulier de la
ductilité et de]la résistance au fluage, et.une diminution de la résistan-
ce à la corrosion, comme indiqué pour l'essentiel par le document US-A-
4 010 049.
A cette teneur au plus égale à 0,2 %, le Zr libre n'a pas d'influence
directe sensible sur la résistance à l'oxydation.
Le Nb libre ou non combiné est compris entre 0,25 et 0,55 %. Le Nb total
comprend en plus du Nb libre un ajout de 7 (C+N)-Zr, pour suppléer le dé-
faut de stabilisation par insuffisance de Zr, dans le cas o Zr est com-
pris entre 7 (C+N) - 0,1 et 7 (C+N).
Il est connu par JOHNSON (document cité plus haut) que le Nb libre ou non combiné augmente la résistance au fluage au niveau de 0,3 à 0,6 % lorsque
les échantillons testés ont été recuits à au moins 1040 C. Mais on a cons-
taté, dans des essais de recuit sur des tôles selon l'invention d'épais-
seur I mm verticales, à 1040 C pendant 5 mn et à 1150'C-1 mn, qu'il se produisait avec des températures de recuit aussi élevées une déformation de la tôle par fluage inacceptable. Et on a observé qu'un recuit de 1000 C I mn conduisait à de bons résultats de fluage et de ductilité pour les tôles de i'invention, et que de façon générale un recuit à 1000 + 10- C de durée comprise entre 0,5 et 5 mn convenait, ce qui est d'une mise en oeuvre industrielle beaucoup plus aîs-de qu'un recult à température d'au moins 1040 C. Guant à la mauvaise ductilité des soudures signalées par USA-4 010 049, lorsque Nb en sob;tlon solide (c'est-à-di-re libre ou non combiné) est en teneur supérieur à 0,3 %, et cela dans le cas de tôles ferritiques inoxydables à 18 % Cr au Nb + Zr, cet inconvénient n'existe
pas avec les tôles de l'invention dont les soudures TIC Fans métal d'ap-
port sont extrêmement ductiles.
La teneur totale en Ai dosée correspond essentiellement a de l'Al en so-
lution solide. En effet, Zr a plus d'affinité que A1 pour l'oxygène et il y a peu d'oxygène résiduel dans le métal, de sorte qu'il ne peut y avoir que très peu d'AI sous forme d'alumine. Par ailleurs, les affinités de Zr et de Nb pour l'azote et l'affinit9 plus grande de A1 pour l'oxygène que pour l'azote font qu'il ne se forme pas de nitrure d'aluminîum AlN. Le résultat-,; confirmé qualitativement par les examens mi.crographîques, est que A1 est en solution solide à l'exception d'une teneur au plus égale à 0,003 % et correspondant essentiellement à de l'alumine. Avec une faible addition de 0,020 à 0,080 7 d'Al, on obtient une amélioration surprenante de la résistance à l'oxydation à chaud, liée au rôle de l'aluminium en solution solide, qu'il s'agisse de l'oxydation continue à l'air entre 800 et 1000"C ou de l'oxydation cyclique alternée en pleine tôle ou sur des
soudures. Ainsi, en oxydation continue à l'air pendant 50h, les tempéra-
tures limites correspondant à une perte de poids de 200 g/m2 sont de 970 C pour Al < 0,002 %, de 1020'C pour Al = 0,036 Z et de 1070'C pour Al = 0,090 %. Et en oxydation continue à 1000"C pendant 50 h, on obtient les pertes de poids suivantes:
TABLEAU I
Al (%) < 0,002 0,020 0,025 0,040 0,045 0,080 g/m2 310 230 215 185 175 145 La perte de poids est ainsi diminuée de 26 % par la présence de 0,020 %
d'Al et de 53 % par la présence de 0,080 % d'Al. La teneur en Al est li-
mitée à 0,080 % de façon à éviter, cMdme on en a l'expérience avec des aciers inoxydables à 17 % Cr (type AISI 430), des crasses sur les cordons
de soudure entraînant des oxydations irrégulières et des criques à la con-
formation donc des corrosions plus rapides. Cet effet de crasses est impor-
tant au niveau de 0,1 % Al; mais si on veut aussi éviter ou limiter les inclusions d'alumine liées à la présence de trop d'aluminium, ces inclusions étant des sites d'initiation de piqûres à la suite des projections d'eau salée provenant du salage ou du dessalement des routes pendant l'hiver, il
convient de rester en-dessous de 0,05 Z d'Al comme 1il est fait dans la com-
position préférentielle indiquée plus loin.
On a cherché à expliquer cette amélioration surprenante de la résistance à l'oxydation produite par des teneurs aussi faibles en aluminium. L'étude
a été faite sur des échantillons de tle d'épaisseur 1 mm provenant notam-
ment de deux coulées à 16 % Cr sans Zr, n 101 et n 401, l'une à 0,6 % Nb et 0,048 % Al, et l'autre a 0,45 % Nb sans A1 (A1 < 0,002 %), oxydés à l'air en continu pendant 50 h à 900 C. Dans le cas de la première coulée contenant Nb et Al, on a observé que la couche oxydée d'épaisseur 10 um était ancrée à la tôle par des petites plaques de dimensions unitaires typiques 0,3 à 0,8 ?m, contenant de l'alumine et par endroits du niobium, sous forme d'inclusions de composé de Nb. Ce mécanisme d'ancrage est tout
à fait différent du mécanisme de formation d'une couche d'alumine parti-
culier aux nuances ferritiques inoxydables à teneur en A1 supérieure à
0,5 %.
Dans le cas de la deuxième coulée sans Al, il n'y a pas d'ancrage et, en examen spectrographique à décharga luminescente, on a vérifié qu'il n'y
avait pas de Nb à l'interface métal/couche oxydée.
On peut donc conclure que, dans le cas des t8les de l'invention au Zr-Nh-
Ai, Ai paraît intervenir en conjonction avec Nb pour produire un ancrage favorable à la tenue de la couche oxydée et améliorer ainsi la résistance à la corrosion à chaud. Par ailleurs, dans une série d'essais d'oxydation alternée à 800 C, des échantillons de tôle selon l'invention au Zr-Nb-Al
ont montré au-delà de 350 h de test une meilleure tenue que des échantil-
lons de tôle au Nb-Al sans Zr ayant des teneurs en Nb non combiné et en Ai comparables, ce qui semble montrer que Zr a un rôle. dans cette tenue à
l'oxydation alternée ou cyclique.
Les éléments constitutifs de la tôle ou bande de l'invention sont pris in-
dividuellement ou dans leur ensemble dans les intervalles de teneurs pré-
férentiels suivants: (C+N) < 0,040 - Si f 0,8 - Cr 16 à 18 Mo<C 0,3 - Ni < 0,3 - Ti < 0,05 - S <0,01 Zr = 0,10 à 0,40 avec Zr compris entre 7 (C+N) et 7 (C+N) + 0,15 Nb 0,30 à 0,52 et encore de préférence 0,33 à 0,50
Ai 0,020 à 0,045 et encore de préférence 0,025 à 0,040.
Les teneurs maximales en (C+N) et en Zr peuvent ainsi être abaissées si-
multanément, donnant une plus grande sécurité pour la ductilité de la plei-
ne tôle et des soudures ainsi que pour la résistance à la corrosion. Zr est
alors toujours en quantité suffisante pour la stabilisation au sens res-
treint, c'est-à-dire pour le piégeage de N et C sous forme de nitrures et de carbures. Nb est entièrement disponible pour la résistance au fluage à chaud et compris dans les intervalles de teneurs qui donnent le minimum de flèche aux essais SAGTEST à 850 C. Al peut être compris dans des fourchettes
de teneurs de plus en plus étroites, réalisables industriellement et repré-
sentant un compromis optimal entre la résistance à l'oxydation à chaud et
la résistance à la corrosion par piqûres.
A l'état de livraison, la tôle ou bande selon l'invention est à l'état re-
cuit et éventuellement dressé, cet état recuit correspondant typiquement
à un traitement à 1000 + 10 C pendant 0,5 à 5 mn.
L'invention a également pour objet le procédé de fabrication d'une tôle ou bande en acier inoxydable ferritique, dans lequel, comme il est connu, on recuit la bande laminée à chaud d'épaisseur comprise entre 2,5 et 5 mm entre 800 et 1000 C dans des conditions peu oxydantes puis on la grenaille
et on la décape, puis on la lamine à froid jusqu'à l'épaisseur de livrai-
son typiquement comprise entre 0,6 et 3 mm, avec ou sans recuits et déca-
pages intermédiaires, et on la recuit en final au défilé, puis on lui fait subir une passe de finition ou d'écrouissage dite "skin-pass" produisant un allongement de moins de I %, avec éventuellement un décapage final. Ce procédé se distingue de l'art antérieur en ce que la tôle ou bande a la composition de l'invention et en ce que le recuit, permettant d'obtenir de bons résultats de fluage à chaud, est effectué entre 980 et 10200C, et de préférence entre 990 et 1010 C pendant 0,5 à 5 mn, ou à une température
et pendant une durée donnant un état métallurgique équivalent. Ce re-
7- cuit final est typiquement effectué à la suite d'un laminage produisant un
allongement d'au moins 100 % à partir du recuit précédent.
Les résultats d'essais qui vont suivre, les figures et les tableaux qui
les accompagnent, permettront d'illustrer et de commenter les divers as-
pects de l'invention.
ESSAIS
10. Série d'essais n I - Essais de fluage à chaud On a réalisé un certain nombre de coulées de laboratoire de 25 kg chacune, dont les analyses figurent dans le Tableau 2 (coulées au Nb+Al) et dans le
Tableau 3 (coulées au Zr+Nb+Al).
D'autres impuretés ont été anaiyses: W < 0,003 - V = 0,02 à 0,0O6 -
Sn < 0,003 - Co 0,01 à 0,02 - Ti=0,004 à 0,013 Pb <O0,002 - Ta <0,01
Se < 0,002 Mg <0,0002 - Ca=0,0001 à 0,0003 - 0=0,0036 à 0,0172 %o.
Le total des autres inpuretes est ainsi nettement inférieur à 0,3 Z et Fe
constitue le solde.
Les principales étapes de la transformation en toles d'épaisseur 1 mm ont été les suivantes: - forgeage à chaud à épaisseur 14 mm, - rectification des 2 faces à épaisseur 12 mm, - laminage à chaud en épaisseur 3 mm, recuit 4 h à 800 C, - décapage, l- aminage à froid à épaisseur I mm,
- recuit à 1000 C soit 1 mn, soit 5 mn.
On a découp dans les toles des éprouvettes rectangulaires de 310 x 25 mm, et on 1es a p-iies à 90i à 25 ms, d1une extrémité. Puls-on les a posées à plat
chacune sur 2 appuis de distance intérieure 254 mm et de distance extéri-
cure 264 irn et on les a soumis à des essais SAGTEST continus de f luage
sous leur propre poids pendant 100 h à 850'C.
Les graphiques les fiFures i et 2 repr-ennert les fiêches bsservéee elres h.a à 8O C, et les Tableaux 4 5L 5 rassemblent lez flàUhes zo;iennn (moyennes de 3 résu!tatz) obtenẻs iour les éprouvettes de coules du
Tableau 2 et pour celles du Tableau 2.
Ces résultats montrent tr-is tadnces: - les éprouvettes au NB+Ai ('ableau 4 et fig I et 2) résistent 4sautant
mieux au fluage que la teneur en Nb libre est élevée, et le re-cuiti pra-
lable de 5 mn à 1000 C donne, à meme teneur en Nb libre, des r5ultat3
bien meilleurs que le recuit de I un à]000C, cela pour tcut lint2r-
valle testé (0,1 à 0,54 Z de Nb libre);
- les éprouvettes au Zr+NbLAl (tableau 5 et fi-g. I et 2) donnent des re-
sultats bien meilleurs que les éprouvettes au Nb+Al avec le recuit de Imn à l000 C, et qui ne sont qu'un peu-moins bons que ceux obtenus avec
les éprouvettes serl!ables au Zr+NB+Al recuites 5 mn à 1DOC, spécia-
lement entre 0,25 % et 0,55 Z de Nb libre, intervalle dans lequel las
résultats de flèches -ne diffèrent que de environ 0,3 à 0,7 cm.
L.'aptitude des coulets au Zr+Nb+A1 selon l'invention à donner uae rela-
tivement bonne résistance au fluage meme aprRs un recuit limité de la sorte (1 mn à!000'C) est un avantage industriel très important; - les éprouvettes au Zr+Nb+Al, qu'elles aient été recuites i mn ou 5 mu à
]000eC, ont une résistance maximale au fluage à chaud (SACEST 85àDC-
h), c'est-à-dire une flèche minimale entre 0,30 et D,52 2 de Nb libre ou non combiné, ou mieux entre 0,33 et 0,50 Z de Nb llbre.,
L'aspect des courbes concernant les coulées au Zr+Nb+!, différent de cel-
les concernant les coulées au Tu--Al (fig. 3 et 2), n'est pas compJàtenent
expliqué par les considerations et observations classiques de precipita-
tion intergranulaire de phases intermétallique fer-ninbium et de recris-
tallisation. Les toles selon l'invention, de teneur en Nb non combiné comprise entre 0,25 et 0,55 %, et avec de préférence les intervalles precisés ci-dessus, se signalent ainsi par leur niveau de réslstance au fluage à ehaud. Des essais de fluage en traction à 800'C ont à cet égard confirmé les essais
SAGTEST.
À Série d'essais n0 2 - Ductilité des soudures On a utilisé des tôles d'épaisseur 2,5 mm recuites 4 h à 800 C issues de 4 des coulées précédentes. On a réalisé sur ces tôles des soudures pleine tale (traits de fusion) de largeur envers 2 mm en TIG automatique sur latte de largeur de rainure 10 mim, sous argon pur, avec 12V-250 A et à vitesse
0,50 m/mn. On a ensuite effectué des essais successifs de pliage des sou-
]0 dures, soit en sens travers des soudures, soit en sens long: à angle 90 puis à 1800 sur rayon de 5 mm, puis sur rayon de 2,5 mim, puis à bloc
(rayon nul).
Les résultats figurent dans le Tableau 6 ci-dessous, "B" signifiant "bon" ]5
et "M" signifiant "mauvais" (fissure ou crique).Il y a 4 essais par con-
dition.
TABLEAU 6
Les soudures des tôles selon l'invention manifestent toutes une très bonne
ductilité, au contraire des tôles au Nb+Al, et cela même dans le cas cou-
lée n0 445 o la teneur en Zr est légèrement inférieure à 7 (C+N).
Type de coulée au Nh + AI au Zr + Nb + Al
495 377 445 308 446
(0,325) (0,541) (0,277) (0,385) (0,515)
à bloc 4M 4M 4B 4B 4B Pliage travers 9 5 m E+3M IB+3M l !r=__,_m B3 B3 de la soudure -----à-à r= 5 mm 3B+IM 3B+IM " "
900 4B 4B " "
Pliage long à bloc 1B+3M IB+3M 4B 4B 4B de la soudure r=-2,5mm_ 4 4B 4 B " " " r= 5 mm '' Il Il 900, il,, Il, Série d'essais n 3 - Essais d'oxydation continue à l'air entre 800 et
1050 C
Les échantillons utilisés proviennent de 3 coulées de 25 kg transformées selon le processus indiqué à propos de la série d'essais n 1, le laminage à froid étant arrêté à l'épaisseur 1,5 mm et étant suivi d'un recuit sous vide de I h à 830 C. Les analyses des 3 coulées, à 0,4 % Nb et à teneur croissante en Al, figurent dans le Tableau 7. Les échantillons sont des plaquettes de 20x30 mm découpées à l'emporte-pièce dans les tôles de 1,5mm recuites, puis polies électrolytiquement dans un bain acéto-perchlorique (88-12) à température ambiante pendant 5 mn, puis pesées au mg. Chaque essai d'oxydation porte sur 3 éprouvettes du même type, avec une éprouvette
supplémentaire pour examens métallographiques.
Les essais d'oxydation à l'air chaud ont une durée unitaire de 50 h, le renouvellement de l'air est assuré par "effet de cheminée" au moyen d'un trou 0 6 mm pratiqué dans la partie inférieure du four. Apres essai, les oxydes formés sont enlevés par décapage électrolytique en milieu neutre, et c'est la perte de poids des échantillons par unité de surface (en g! m2) qui permet d'apprécier "a contrario" la résistance à l'oxydation à
chaud. Les résultats sur les 3 éprouvettes de chaque essai sont bien grou-
pés dans le cas de l'oxydation continue, et on a par conséquent donné
dans ce cas un seul résultat, moyenne des 3 résultats individuels.
Cette série d'essais n 3 a porté sur des oxydations à des températures
échelonnées de 50'C en 50'C entre 800'C et 1050 C, les résultats appa-
raissent dans le Tableau 8 et sur la Figure 3.
TABLEAU 8 - Perte de poids due à l'oxydation (g/m2)
a a.
N0 coulée (% A1) 800 C 8500C J 9000C 950'C 1000C 1050'C I
401 (<0,002) 100 103 110 155 T 330 740
i
402 ( 0,036) 75 85 95 125 172 250
403 (0,090) 50 65 85 110.144 165
S9482 Il En considérant le Tableau 8 et la figure 3, on voit que AI en teneur aussi faible que 0,036 % améliore beaucoup la résistance à l'oxydation a chaud au--dessus de 950 C. Et, si l'on prend par exemple comme limite g/îa2 e2 50 h, oa voit que les temperatures limites s'étagent comme il a déjà etë indiqué dans l'exposé de l'invention. Comme cela va se vérifier
dans la série d'essai n 4, ces observations sur des coulées au Nb s'ap-
pliquent aux coulées au er+Nb et en particulier aux ooulees selon lVinven-
tion. Série d'essais n 4 - Essais d'oxydation continue à l'air pendant 50h à 0 _
0r a testé dans cette série, en plus d'éprouvettes des 3 coulees précéden-
tcs, des éprouvettes de 2 coulées au Nb de teneurs respectives en AI de 0, 525 % et de i % et de deux coulées selon l'invention à 0,04 % A1 (caulées ] et 202) dont les analyses fLigurent également dans le Tableau 7o Les r2suitats sont portés dans le Tableau 9 et sur la fig. 4. On voit que les
points reprérentatifs des deuz coulées selon l'invention se placent cor-
rectemeut sur la courbe de perte de poids tracée pQoPr les coulées au Nb.
La presence de l'alusiïnum conduit à une perte de poids dlminuée de 50% par 0,04% AI, de 80% par 0,10% AI et qui n9évolue presque plus au-delà de 0,3%
AI, ia perte de pods-plafonnant alors à ICO g/m2, asymptote de la courbe.
Les pertes de poids correspondant aux teneurs limites en AI des aciers de
l'invention figurent dans le Tableau I (expos-é de ID nvention).
TABLEAU 9 - Parte de poids (g/m2) après oxydation de 50 h à 1000 C ?0
-3U Les teneurs en Al sont portées sur le graphique de la figure 4.
Type je coulée 16 % Cr - Nb invention N' Coulée 401 402| 403 404 I 405 201 202 AI % <0,O002 0,036 0,090 0,525 k,00 0,041 0,039 g/m2 3 142 103 101 170 198 _____ ______ i ______ _______ __________ _ 0 Série d'essais n 5 -Essais d'cxydation alternée entre 800 et 1000C, en pleine tôle et sur soudure Dans ces essais d'oxydation alternée ou oxydation cyclique, on fait subir aux éprouvettes préparées comme décrit précédemment des cycles comportant
chacun: un chauffage rapide, un mantien de 10 min à la température d'es-
sai, puis un refroidissement à l'air et un maintien à température ambiante ou voisine de durée totale 10 ma. La dorée d'un essai est de 100 h pendant
lesquelles on effectue 300 cycles donnant un maintien global à la tempéra-
ture d'essai de 50 h. On a testé ainsi, avec des températures d'essai échelonnées de 50 C en C entre 800 C et IG000 C, des éprouvettes issues de la coulée au Nb+Al n 101 et des coulées selon l'invention n 201 et 202, dont les analyses
figurent dans le Tableau 7. Les tests concernent aussi bien des éprouvet-
tes pleine tôle que des éprouvettes-contenant des soudures, celles-ci étant réalisées comme indiqué au sujet de la série d'essais n0 2, et le
côté endroit de ces soudures occupant alors le 1/3 de la largeur des é-
prouvettes. Les résultats obtenus figurent dans le Tableau 10 et sur la Figure 5. On a reporté sur la figure 5 les points représentatifs des minima et maxima z de chaque groupe de 3 résultats. On observe deux familles de résultats: - les points représentatifs des éprouvettes pleine tôle des 3 coulées et
ceux des éprouvettes avec soudure des coulées n 201 et 202 selon l'in-
vention, appartenant au domaine hachuré (A); - les points représentatifs des éprouvettes avec soudure de la coulée n 101, qui présente une anomalie de perte de poids (oxydation excessive dans ce test cyclique) entre 850 et 950 C et donne des pertes de poids
relativement fortes pour 10000C. Ces points sont compris dans le domai-
ne hachuré (B).
A même teneur en Al, les tôles de l'invention se distinguent donc de tôles
au Nb sans Zr en ce que leurs soudures sans métal d'apport ont une meilleu-
re résistance à l'oxydation alternée ou cyclique dans ce domaine de tempé-
rature (850 à 950 C) important pour les- collecteurs d'échappement.
Série d'essais n 6 - Essais d'oxydation alternée de 500 h à 800 C Dans cette série d'essais, on a effectué des essais d'oxydation alternée ou cyclique de durée totale 100 h, 250 h et 500 h avec les cycles définis dans la série d'essais n 5. Les essais ont porté sur les coulées n 101 102 et 201 (analyses dans le Tableau 7): coulées respectivement au Nb,
au Zr, et au Zr+Nb selon l'invention, ayant des teneurs en Al voisines.
Les résultats obtenus, déjà évoqués dans l'exposé de l'invention, sont re-
portés dans le Tableau 11 et sur la figure 6. Les résultats des coulées n
101 et 201 pour 100 h (à 800 C) figurent déjà dans le Tableau 10. On obser-
ve que l'évolution de la perte de poids en fonction de la durée d'oxydation alternée ou cyclique est assez différente pour les 3 coulées: la coulée 201, qui a donné les pertes de poids les plus fortes h 100 h, donne des pertes de poids bien regroupées et n'évoluant pratiquement plus au-delà de 100 h à 250 h, tandis que les coulées n 101 et surtout n 102 donnent des résultats en forte augmentation avec la donnée. La coulée n 201 selon l'invention surclasse ici les coulées n 101 et 102 après environ 350 h de test.
Ce comportement des éprouvettes de la coulée-n 201, correspondant à une sta-
bilité particulière de la couche d'oxyde en oxydation cyclique, semble confirmer que cette stabilité qui semble liée à un phénomène d'ancrage,
ne dépend pas seulement de la présence de l'aluminium. Par comparaison.
avec le comportement des éprouvettes des coulées n 101 et 102, il semble signifier que les présences simultanées de Zr et de Nb jouent également
un rôle.
AVANTAGES DE L'INVENTION
Les tôles de l'invention présentent ainsi de nombreux avantages répondant au problème posé: a) Bonne résistance au fluage à chaud, particulièrement pour O030 à 0,52 % de Nb libre;
b) cette résistance au fluage est obtenue à partir d'un état recuit indus-
triellement avantageux, typiquement 1000 10 C pendant 0,5 à 5 mn;
c) bonne résistance à l'oxydation continue à chaud, liée de façon surpre-
nante à l'addition d'Al en faible teneur, en conjonction avec Nb; d) stabilité particulière de la couche d'oxyde en oxydation cyclique à 800 C, liée à la présence simultanée de Zr et de Nb en m&me temps que A1 en faible teneur; e) bon comportement des soudures sans métal d'apport en oxydation cyclique particulièrement aux alentours de 900 C, ce comportement restant voi-
sin de celui de la pleine tôle; f) bonne ductilité des soudures sans métal d'apport; g) bonne résistance à la corrosion, dans des conditions correspondant à
l'utilisation des collecteurs d'échappement automobile, grâce à la limi-
tation de la teneur en A1.
APPLICATIONS
Les bandes ou tôles de l'invention, habituellement à l'état recuit et en épaisseur 0,6 à 3 mm et le plus souvent 1,2 à 2,5 mm, sont utilisées pour toute application dans laquelle on recherche un compromis économique de ductilité (tôle et soudures), de résistance à chaud (fluage, oxydation
à l'air continue ou cyclique) et de résistance à la corrosion. L'applica-
tion aux systèmes d'échappement est particulièrement typique.
TABLEAU 2 - Essais SAGTEST et tests de pliage des soudures Analyse des coulées au Nb + A1 (% en poids) N0 Coulée 497 498 901 495 058 377
C 0,030 0,027 0,017 0,027 0,022 0,019
N 0,036 0,032 0,024 0,031 0,033 0,018
C + N 0,066 0,059 0,041 0,058 0,055 0,037
Si 0,240 0,241 0,268 0,237 0,393 0,408 Mn 0,461 0,0453 0,445 0,458 0,412 0,522 Cr 16,38 16,86 16,11 16,67 16,28 16,50 Mo 0,025 0,025 0,022 0,026 0, 030 0,030 Ni 0,148 0,134 0,150 0,140 0,236 0,218 Ti 0,005 0,004 0,013 0, 005 0,006 0,006 Cu 0,030 0,031 09031 0,029 0,005 09,002
S 0,007 0,006 0,005. 0,008 0,007 0,004
P 0,029 0,025 0,025 0,026 0,025 0,031
Zr 0,004 0,002 0,003 05004 0,005 0,006
7 (C+N) 0,462 0,413 0,287 0,406 0,385 0,259
Nb 0,493 0,581 0,463 0,727 0,713 0,794 Nb non combiné 0,035 0,170 0,179 0, 325 0,333 0,541
A1 0,038 0,038 0,031 0,037 0,029 0O033
*z 0740o
TABLEAU 3 -
Essais SAGTEST et tests de pliage des soudures Analyse des coulées au Zr+ Nb+Al (% en poids) !N Coulée _T
C 0.022 0,031 O 0,017 0,031 0,018 0,025 0,022
à- - - -- -- -- à--- - + à--- - -- --- -.--- ------- - - -à - -- -
N 0,018 0,015 J 0,010 0,009 0,017 0,012 0,018
à.f.à--- --- ----------
C + N 0,040 0,046 0,027 0,040 0,035 0,037 0,040
f - à - - -- -à. -------- ----- -à -,-- ----- - - à----
Si 0,385 0,370 0,289 0,428 0,367 0,390 0,419 Mn 0,488 0,459 0,439 0,496 0, 433 0,496 0,503 Cr 16,66 16,53 16,18 16,42 16,53 16,38 16,32 Mo 0,032 0, 036 0,047 0,029 0,045 0,033 0,041
à-1 ---- ---- ----à-------- à
Ni 0,154 0,230 0,214 0,217 0,211 0,202 0,232 Ti 0,006 0,005 0,006 0,005 0, 006 0,006 0,006 Cu 0,002 0,004 0,003 0,005 O0,003 0,004 0,003
S 0,006 0,005 0,010 0,005 0,007 0,004 0,004
P 0,033 0,033 0,028 0,030 0,025 0,029 0,031
Zr 0,261 0,222 0,436 0,245 0,259 0,259 0,234
7 (C+N) 0,280 0,322 0,189 0,280 0,245 0,259 0,280
Nb 0,115 0,207 0,189 0,312 0,385 0,515 0,570 Nh non Nb non 0,096 0,107 0, 189 0,277 0,385 0,515 0,524 Ac sol. 0,026 0,2mbin 0,039,31 0,038 0,032,21
Al sol. 0,026 0,024 0,039 0,031 10,038 0,032 0,021.
- TABLEAU 4 - Résultats SAGTEST sur éprouvettes des coulées au Nb+Al (flèche après 100 h à 850 C) N coulée 497 498 901 495 058 377 Nb non combiné 0,035 0,170 0,179 0,325 0,333 0,541 (% en poids) Flche Recuit mn ( + - 4,1 2,6 2,3 1,4
Flèche 10000 C-I mn..........................
moyenne Recuit (+) (cm) 10000C-5 mn y 6 2,2 1-,5 1,1 1,5 1,1
(+) pour cette flèche, les éprouvettes sont sorties de leurs appuis.
TABLEAU 5 - Résultats SAGTEST sur éprouvettes des coulées au Zr+Nb+Al (flèche après 100 h à 850 C) N Coulée 426 427 307 445 308 446 428 Nb non combiné 0,096 0,107 0,189 0,277 0,385 0,515 0,524 (% en poids) Flèche ecuit 2,8 2,5 2,6 2,1 1,1 - 2,1 10000C-Imn moyenne--- -à ____.._ (cm) Recuit (cm)Recuimn 1,5 2,6 1,6 1,6 0,8 1,2 1,4 1000OC_5mn
TABLEAU 7 - Essais d'oxydation à chaud -
Analyse des coulées (% en poids) N Coulée 401 402 403 T 404 405 101 102 201 202
C 0,023 0,023 0,022 0,025 0,023 0,026 0,038 0,019 0,030
N 0,012 0,013 0,014 0,014 0,019 0,020 0,013 0,010 0,014
C + N 0,035 0,036 0,036 0,039 0,042 0,046 0,051 0,029 0,044
Si 0,511 0,545 0,528 0,550 0,259 0,461 0,520 0,332 0,373 Mn 0,458 0,460 0, 479 0,478 0,643 0,547 0,400 0,502 0,433 Cr 16,15 15,96 15,93 15,98 16,19 15,92 16,85 16,49 16,41 Mo 0,028 0,038 0,038 0,039 0,155 0,058 0,015 0, 063 0,011 Ni 0,193 0,199 0O194 0,205 0,193 0,262 0,160 0,225 0,123
Ti _ - - - -
Cu. _ - - -
S 0,007 0,005 0,005 0,005 0,004 0,007 0,007 0,004 0,002
P 0,023 0,023 0,022 0,023 0,015 0,024 0,022 0,034 0,025
Zr - - - - - - 0,565 0,301 0,236
7 (C+N) 0,245 0,252 0,252 0,273 0,294 0,322 0,357 0,203 0,308
Nb 0,452 0,463 0,443 0,450 0,505 0,601 - 0,464 0,353 Nb non 0,207 0,211 0, 191 0,177 0,211 0,279 - 0,464 0,281 combin Ai 0,002 0,036 0,090 0,525 1, 00 0,048 0,041 0,041 0,039
_________________ _ _ _ _ _ _ _ _ _, O _ _ -
TABLEAU 10 - Perte de poids (g/m2) après oxidation cyclique pendant 100 h N Coul1e 800 C 8500C 9000C 9500C 1000 C
68 50 178 95 120
Pleintle 60 74 149 53 218
52 67 167 78 138
104 119 334 293 327
s oudu r e 124 73 377 198 391
132 109 515 202 423
63 48 90 196 216
Ple20e1tl 71 73 47 123 338
93 50 - 114 315
227
- - - 117 196
Pleine tôle 143 171
102 153 247 253
201dure 125 103 131 207 292
163 128 - 218 311
202 157 195 209
- - 109 213 174
133 159 156
À2 TABLEAU Il - Perte de poids (g/n 2 après oxydation cyclique de durée variable à 800 C o, Duree totale N Coulee (type) - --- Durée totale ____ h 250 h 500 h (au 52 72 102 (au Nb+A60 80 125
68 86 142
102 12 51 124
(au Zr+Al) 3 24 69 133
32 73 153
201 63 82 79
(au Zr+Nb+A1) 71 83 82
93 92 89
Claims (6)
1. Tôle ou bande en acier ferritique inoxydable, destinée en particulier à la fabrication de systèmes d'échappement, caractérisée en ce qu'elle a pour composition (% en poids): (C+N) < 0,060 - Si < -0,9: - Mn-< 1-
Cr 15 à 19 - Mo < 1 -Ni < 0,5 -Ti < 0,1 - Cu < 0,4 -
S < 0,02 - P< 0,045 - Zr = 0,10 à 0,50 avec Zr compris entre 7 (C+N) - 0, 1
et 7 (C+N) + 0,2 - Nb compris entre 0,25 et 0,55 si Zr,-7 (C+N), et com-
pris entre 0,25 + 7 (C+N) - Zr et 0,55 + 7 (C+N) - Zr si Zr 4. 7 (C+N) -
Al 0,020 à 0,080 - autres éléments et Fe: le solde,
S
et en ce que Al y est en solution solide à l'exception d'une teneur au plus
égale à 0,003 %.
2. Tôle ou bande selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle con-
tient (% en poids) ^
C+N < 0,040 - Si < 0,8 - Cr 16 à 18 -Mo < 0,3 - Ni <0,3 - Ti < 0,05 -
S < 0,01 - Zr = 0,10 à 0,40 avec Zr compris entre 7 (C+N) et 7 (C+N) + 0, 15-
Nb 0,30 à 0,52 - Al 0,020 à 0,045.
3. Tôle ou bande selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle con-
tient (% e poids): Nb 0,33 à 0,50 et Al 0,025 à 0,040.
4. Tôle ou bande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caracté-
risée en ce qu'elle est dans l'état recuit 0,5 à 5 mn à 1000 + 10 C et dressé.
5. Procédé de fabrication d'une tôle ou bande dont la composition est con-
forme à l'une quelconque des revendications I à 3, dans lequel on recuit
la bande laminée à chaud d'épaisseur comprise entre 2,-5 et 5 mm entre 800 et 1000 C dans des conditions peu oxydantes puis on la grenaille et on la
décape, on la lamine ensuite à froid jusqu'à l'épaisseur de livraison com-
prise entre 0,6 et 3 mm, avec ou sans recuits et décapages intermédiaires,
et on l1 recuit en final au défilé et on lui fait subir une passe de fini-
tion et d'écrouissage ou "skin-pass" produisant un allongement de moins de
1 %, caractérisé en ce qu'on effectue le recuit final entre 980 et 1020'C.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on effectue le
recuit final entre 990 et 1010 C pendant 0,5 à 5 mn.
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