FR3124804A1 - Acier inoxydable austénitique - Google Patents

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Abstract

Acier inoxydable austénitique Acier inoxydable austénitique comportant, en pourcentages en masse :C : 0,02 % à 0,10 %,Cr : 19,0 % à 26,0 %,N : 0,4 % à 0,8 %,Mn : 1,3 % à 2,5 %,Ni : 5,0 % à 11,0 %,autres espèces : < 0,05 % etFe : complément à 100 % de la masse de l’acier Pas de figure d’abrégé

Description

Acier inoxydable austénitique
La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique, une pièce formée d’un tel acier ainsi qu'un procédé de fabrication d’une telle pièce.
Les aciers inoxydables sont des aciers résistants à la corrosion et qui contiennent au minimum 10,5 % de chrome. Le chrome réagit avec l'oxygène de l'air de manière à former à la surface de l'acier une couche passivante d'oxyde riche en chrome qui confère aux aciers inoxydables leur résistance à la corrosion.
Les aciers inoxydables sont ainsi particulièrement bien adaptés aux applications en environnement humide. C’est le cas par exemple pour les aciers 310 et 316 dont les plages de composition sont définies par l’AISI (acronyme de « American Iron and Steel Institute », ou Institut Américain du Fer et de l’Acier en français). Il est en outre souhaitable pour certains aciers inoxydables de présenter une bonne résistance à la rupture et/ou une bonne résistance à la fatigue.
Cependant, un inconvénient des aciers inoxydables est que pour atteindre une résistance mécanique et une résistance à la corrosion compatibles avec les applications souhaitées, il est généralement nécessaire d’effectuer un ou plusieurs traitements thermomécaniques sur l’acier après l’avoir coulé. Cela est notamment le cas pour les aciers inoxydables austénitiques.
Par exemple, un traitement d’hypertrempe peut être effectué, qui consiste à maintenir l’acier inoxydable austénitique à une température comprise entre 1000 °C et 1150 °C, puis à le refroidir rapidement. On évite ainsi la précipitation de carbures ou de carbonitrures de chrome qui peuvent provoquer une sensibilité à la corrosion intergranulaire. Un traitement d’homogénéisation d’une durée pouvant être supérieure à 24 h et à une température comprise entre 1150 °C et 1200 °C peut aussi être effectué afin d’améliorer la forgeabilité de l’acier austénitique en limitant le développement d’une phase ferritique. Par ailleurs, afin d’augmenter la limite d’élasticité de l’acier, un écrouissage, par exemple par déformation à froid peut être effectué. En variante, des mécanismes de précipitation de carbure ou de carbonitrures de niobium fins peuvent intervenir en respect des équilibres thermodynamique et activé cinétiquement par les contraintes et déformation.
Les traitements thermomécaniques décrits ci-dessus présentent les inconvénients suivants. Ils sont énergivores, de mise en œuvre complexes afin d’assurer une reproductibilité du résultat obtenu, et plusieurs d’entre eux doivent dans certains cas être appliqués consécutivement afin d’atteindre le niveau de résistance à la corrosion ou le niveau de résistance mécanique souhaitée.
Il existe donc un besoin pour un acier inoxydable austénitique, présentant après fusion, coulée, solidification et refroidissement et optionnellement parachèvement, de bonnes performances mécaniques et de résistance à la corrosion, notamment sans qu’un traitement thermomécanique tel que décrit ci-dessus ne soit indispensable.
Il existe en outre un besoin pour un procédé de fabrication d’un tel acier inoxydable austénitique qui présente un rendement plus élevé que les procédés de coulée et de traitement thermomécanique décrits ci-dessus.
L’invention propose un acier inoxydable austénitique comportant, en pourcentages en masse :
C : 0,02 % à 0,10 %,
Cr : 19,0 % à 26,0 %,
N : 0,4 % à 0,8 %,
Mn : 1,3 % à 2,5 %,
Ni : 5,0 % à 11,0 %,
autres espèces : < 0,05 % et
Fe : complément à 100 % de la masse de l’acier.
A la connaissance des inventeurs, l’acier inoxydable austénitique selon l’invention n’a jamais été produit par un procédé conventionnel. Comme cela apparaitra par la suite, le procédé de fabrication de l’acier selon l’invention, comportant la fusion des matières premières sous une atmosphère non oxydante contenant de l’azote sous pression permet de contrôler efficacement la teneur en azote de l’acier et de limiter la formation de précipités de nitrure de carbone, notamment en position intergranulaire.
Par ailleurs, l’acier inoxydable selon l’invention présente de bonnes propriétés mécaniques. Il peut présenter au moins une, de préférence au moins deux, voire les trois propriétés suivantes :
- une limite d’élasticité Re0,2supérieure ou égale à 600 MPa, voire supérieure à 700 MPa,
- une contrainte à rupture σrsupérieure ou égale à 800 MPa, voire supérieure à 1000 MPa, et
- un allongement relatif à rupture Arsupérieur à 15 %, voire supérieur à 30 %.
De telles performances mécaniques peuvent être obtenues sans mise en œuvre d’un traitement thermomécanique.
La limite d’élasticité Re0,2est mesurée à 0,2 % de déformation plastique en suivant la norme ISO6892-1 ou ASTM. L’allongement relatif à rupture Arcorrespond au rapport de l’allongement ∆l sur la longueur initiale l0du fût de l’éprouvette de mesure. L’allongement ∆l correspond à la différence entre la longueur à rupture lrdu fût de l’éprouvette et la longueur initiale l0dudit fût. L’allongement à rupture peut être mesuré selon la norme précitée.
La teneur massique en carbone peut être supérieure ou égale à 0,025 % et/ou inférieure ou égale à 0,045 %, de préférence inférieure ou égale à 0,035%. En particulier, elle peut être comprise entre 0,025 % et 0,035 %.
La teneur massique en azote peut être comprise entre 0,5 % et 0,7 %.
La teneur massique en manganèse peut être comprise entre 1,9 % et 2,1 %.
La teneur massique en nickel peut être comprise entre 8 % et 10,5 %,
Sauf indication contraire, les « autres espèces » sont les espèces qui ne sont pas listées ci-dessus, à savoir les espèces autres que Fe, C, Cr, N, Mn et Ni. En particulier, les « autres espèces » peuvent être des impuretés. Par « impuretés », on entend les constituants inévitables, introduits involontairement et nécessairement avec les matières premières ou résultant de réactions avec ces constituants. Les impuretés ne sont pas des constituants nécessaires, mais seulement tolérés.
Les autres espèces peuvent contenir au moins un élément choisi parmi le soufre, le cobalt, le silicium, le phosphore, l’oxygène et leurs mélanges.
La teneur en soufre est de préférence inférieure à 0,01 %.
La teneur en cobalt est de préférence inférieure à 0,01 %.
La teneur en silicium est de préférence inférieure à 0,01 %.
La teneur en phosphore est de préférence inférieure à 0,01 %.
La teneur en oxygène est de préférence inférieure à 0,01 %.
Suivant un mode de réalisation particulier, l’acier inoxydable selon l’invention peut comporter en pourcentages en masse :
C : 0,024 % à 0,032 %
Cr : 19,3 % à 25,2 %
N : 0,41 % à 0,68 %
Mn : 1,3 % à 2,1%
Ni : 5,0 % à 10,5 %
autres espèces : < 0,05%,
Fe : complément à 100% de la masse de l’acier.
Les teneurs des éléments de l’acier inoxydables peuvent être mesurées par des méthodes bien connues de l’homme du métier. Par exemple dispositif d’analyse élémentaire commercialisé par la société LECO peut être mis en œuvre pour mesurer la teneur en carbone, oxygène et azote. Les teneurs en chrome, nickel et manganèse sont par exemple mesurées par une technique analytique à plasma à couplage inductif, aussi connue sous le terme ICP, acronyme anglais de «Inductively Coupled Plasma».
De préférence, l’acier inoxydable comporte une phase austénitique durcie par au moins une partie des atomes de carbone et/ou des atomes d’azote.
De préférence, plus de 0,5 %, voire plus de 0,7 % des atomes d’azote sont distribués en position interstitielle, les pourcentages étant exprimés en masse sur la base de la masse de l’acier. L’acier inoxydable présente ainsi une ductilité améliorée.
L’acier inoxydable peut comporter des précipités, notamment de nitrure de chrome et/ou de nitrure de carbone. Les précipités de nitrure de carbone peuvent être présents en un nombre plus faible que les précipités de nitrure de chrome.
L’acier inoxydable est austénitique, c’est-à-dire qu’il comporte moins de 5 %, de préférence moins de 1 %, de préférence moins de 0,5 %, de préférence moins de 0,1 % de phase ferritique, en pourcentages en masse sur la base de la masse de l’acier. De préférence, il est exempt de phase ferritique.
L’invention concerne aussi une pièce constituée en tout ou partie par l’acier inoxydable selon l’invention.
Notamment, la pièce peut être constituée par l’acier selon l’invention.
La pièce peut être choisie parmi une pièce coulée, une pièce laminée, une pièce moulée et une pièce forgée.
La pièce peut être choisie parmi un corps d’une pompe, un élément d’une turbine, un organe d’un véhicule automobile, un tube d’une canalisation, un ustensile de cuisine, un outil.
La pièce peut présenter une masse supérieure à 0,1 kg, voire supérieure à 1 kg.
De préférence, la pièce est obtenue ou susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’invention qui sera décrit ci-après.
L’invention concerne enfin un procédé de fabrication d’une pièce selon l’invention, le procédé comportant les étapes successives suivantes consistant à :
a) fondre une charge de départ dans une atmosphère non oxydante formée d’un gaz azoté jusqu’à obtention d’une matière en fusion,
b) couler et solidifier la matière en fusion, par refroidissement, de manière à obtenir la pièce.
Par atmosphère « non-oxydante », on considère une atmosphère sensiblement, voire totalement dépourvue d’oxygène gazeux. L’air ne constitue pas une atmosphère non-oxydante. L’atmosphère non-oxydante peut être réactive, et donc pas neutre, car le gaz azoté qui la forme peut réagir avec des éléments de la charge de départ pour former des précipités nitrurés. Au cours de la fusion à l’étape a), l’azote du gaz azoté est dissout dans la matière en fusion, ce qui permet d’atteindre la teneur en azote de l’acier selon l’invention.
A l’étape a), la charge de départ est constituée de matières premières choisies de manière que la pièce de fonderie soit conforme à l’invention. La charge de départ peut être sous forme solide.
La charge de départ peut être disposée dans une enceinte étanche à l’air.
L’atmosphère non oxydante peut être générée en injectant le gaz azoté dans l’enceinte. Un balayage du gaz azoté peut être effectué au sein de l’enceinte.
De préférence, la pression partielle d’azote du gaz azoté est supérieure à 1 atm. Elle peut être supérieure à 1,1 atm, voire supérieure à 1,2 atm, voire supérieure à 1,5 atm.
De préférence, la pression partielle d’azote du gaz azoté est inférieure ou égale à 2 atm, afin d’éviter une nitruration excessive des outils avec lesquels la fusion est mise en œuvre.
De préférence, le gaz azoté comporte plus de 80 % en volume, de préférence plus de 90 % en volume, de préférence plus de 99 % en volume d’azote. De préférence, il consiste en de l’azote.
La charge de départ peut être contenue dans un creuset. De préférence, en fin d’étape a), le creuset contient un bain comportant la matière en fusion. De préférence, la matière en fusion représente plus de 95 %, de préférence plus de 99 %, de préférence plus de 99,9 %, voire sensiblement 100 % de la masse du bain.
La fusion peut être mise en œuvre au moyen de tout type de four conventionnellement utilisé dans l’industrie, par exemple un four à induction ou un four à arc.
Le gaz azoté peut être introduit dans le bain par bullage du gaz, par exemple au moyen d’un buse d’alimentation en gaz azoté immergée dans le bain.
La charge de départ peut être chargée dans le creuset à température ambiante, inférieure à 50°C.
La fusion peut être opérée jusqu’à obtention du bain de matière en fusion à une température comprise entre 1500 °C et 2000°C.
L’étape b) comporte la coulée de la matière en fusion, de préférence dans un moule.
La coulée peut être opérée sous l’atmosphère non oxydante. En variante, elle peut être opérée sous air.
De préférence, la température de la matière en fusion lors de l’étape de coulée dans le moule, est comprise entre 1500 °C et 2000 °C. Cette gamme de température permet d’assurer la bonne coulabilité de l’acier en fusion dans le moule et une vitesse de remplissage conforme à l’obtention d’une pièce moulée exempte de défauts.
Après coulage, la matière en fusion est refroidie jusqu’à solidification de la pièce de fonderie.
De préférence, la vitesse de refroidissement jusqu’à solidification complète de la matière en fusion est supérieure à 60 °C par minute. Une telle vitesse de refroidissement permet d’éviter la formation de structures colonnaires et la croissance des grains.
Le procédé peut en outre comporter l’extraction de la pièce du moule.
Le procédé peut comporter une étape c) de parachèvement de la pièce, de préférence choisi parmi le décochage, le démasselottage, l’ébavurage, le meulage, le grenaillage, le sablage, le brossage et le polissage. Par « parachèvement », on envisage toute opération effectué sur la pièce une fois l'étape de coulée terminé afin de rendre la pièce parachevée apte à un usage immédiat.
Le procédé peut comporter une étape de traitement thermomécanique de la pièce. L’étape de traitement thermomécanique peut être antérieure ou postérieure à l’étape de parachèvement.
L’étape de traitement thermomécanique peut comporter une ou plusieurs opérations de forgeage et/ou de martelage à chaud. Optionnellement, suite à la mise en œuvre d’une de ces opérations, l’acier peut être réchauffé dans un four, préalablement à la mise en œuvre d’une nouvelle opération.
L’étape de traitement thermomécanique peut comporter un recuit à une température comprise entre 700 °C et 1000 °C.
Exemples
L’invention est illustrée au moyen des exemples suivants et des figures suivantes parmi lesquelles :
et
sont des photographies, acquises en microscopie optique et en microscopie à balayage respectivement, de la microstructure de l’acier de l’exemple 1,
et
sont les courbes représentant la contrainte, exprimée en MPa, en fonction de l’allongement relatif mesurés lors d’essais de traction simple réalisés sur des éprouvettes faites de l’acier de l’exemple 1 et de l’acier de l’exemple 2 respectivement.
Les exemples ont été produits de la manière suivante. Les matières premières ont été pesées de telle sorte à obtenir la composition indiquée dans le tableau 1 ci-après.
Une charge de départ formée des matières premières a ensuite été disposée dans un creuset. Le creuset a été placé introduit dans une enceinte étanche à l’air. De l’azote a été injecté à une pression absolue de 1 atm.
L’enceinte a été chauffée à une température de 1800°C au moyen d’un four à induction sous azote, jusqu’à obtention d’un bain de matière en fusion.
Le bain de matière en fusion a ensuite été refroidi jusqu’à température ambiante dans l’enceinte.
Le tableau 1 présente, la composition de l’acier inoxydable, exprimée en pourcentages en masse sur la base de la masse de l’acier. Le complément à 100 % de la masse de l’acier est constitué par le fer. La composition a été mesurée avec un analyseur élémentaire LECO (LQ = 0,005%).
Cr Ni Mn C N Si P O S Co
25 10 2 0,038 0,67 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.
L’acier peut comporter du silicium, du phosphore, de l’oxygène, du cobalt et du soufre dans des teneurs qui n’ont pas pu être détectées par l’analyseur LECO, et indiquées par le terme « N.D. » dans le tableau 1.
Exemple 1
La dureté Vickers de l’acier de l’exemple 1, qui est brut de forge, a été mesurée à une valeur de 345,6 HV.
Une analyse microstructurale a été menée sur un échantillon de l’acier, qui a été préalablement poli puis attaqué chimiquement afin de révéler sa microstructure.
Comme cela peut être observé sur les figures 1 et 2, la microstructure est homogène et formée de grains équiaxes. Aucune trace de précipitation particulière n’a été constatée en microscopie optique.
Par ailleurs, une éprouvette été fabriquée puis a été soumise à un essai de traction simple, dans les conditions fixées par la norme ISO6892-1. La représente la courbe contraintevsallongement relatif correspondante. La contrainte à rupture σr de l’éprouvette a été mesurée à 910 MPa et l’allongement relatif à rupture a été mesuré à 37 %. L’acier de l’exemple 1 présente ainsi d’excellentes propriétés mécaniques, synthétisées dans le tableau 2 ci-dessous.
Module d’Young (MPa) Limite d’élasticité
Re0,2(MPa)		 σr(MPa) Allongement relatif à rupture Ar(%)
176 ± 9 720 910 37
Exemple 2
L’acier de l’exemple 2 a été obtenu en soumettant l’acier de l’exemple 1, brut de forge, à un recuit à une température de 900°C pendant 1 heure, afin de restaurer la microstructure de l’acier, puis à un refroidissement rapide jusqu’à température ambiante, à une vitesse de refroidissement comprise entre 10 °C.s-1et 100 °C.s-1, pour éviter une croissance excessive des grains.
Comme observé sur la , par rapport à l’exemple 1, l’allongement relatif à rupture est plus faible, de 27%. Toutefois, la contrainte à rupture σr est supérieure à 1000 MPa. La valeur maximale de la contrainte à rupture n’a pas pu être mesurée, la limite de charge admissible par la cellule de mesure d’effort ayant été atteinte au cours de l’essai de traction simple correspondant. La portion de la courbe représentée sur la représentée en traits pointillés correspond à la partie de l’essai où la charge maximale de la cellule a été atteinte.
Comme cela apparaît clairement, l’acier selon l’invention présente d’excellentes propriétés mécaniques, qu’il soit brut de forge ou après avoir été traité thermomécaniquement. Un traitement thermomécanique de l’acier brut de forge permet d’augmenter encore sa résistance mécanique.

Claims (15)

  1. Acier inoxydable austénitique comportant, en pourcentages en masse :
    C : 0,02 % à 0,10 %,
    Cr : 19,0 % à 26,0 %,
    N : 0,4 % à 0,8 %,
    Mn : 1,3 % à 2,5 %,
    Ni : 5,0 % à 11,0 %,
    autres espèces : < 0,05 % et
    Fe : complément à 100 % de la masse de l’acier.
  2. Acier selon la revendication 1, la teneur massique en carbone étant comprise entre 0,025 % et 0,035%
  3. Acier selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, la teneur massique en azote étant comprise entre 0,5 % et 0,7 %.
  4. Acier selon l’une quelconque des revendications précédentes, la teneur massique en manganèse étant comprise entre 1,9 % et 2,1 %.
  5. Acier selon l’une quelconque des revendications précédentes, la teneur massique en nickel étant comprise entre 8 % et 10,5 %.
  6. Acier selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une phase austénitique durcie par au moins une partie des atomes de chrome et/ou des atomes d’azote.
  7. Acier selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel plus de 0,5 %, voire plus de 0,7 % des atomes d’azote sont distribués en position interstitielle, les pourcentages étant exprimés en masse sur la base de la masse de l’acier.
  8. Acier selon l’une quelconque des revendications précédentes, présentant au moins une, de préférence au moins deux, voire les trois propriétés suivantes :
    - une limite d’élasticité Re0,2supérieure ou égale à 600 MPa, voire supérieure à 700 MPa,
    - une contrainte à rupture σrsupérieure ou égale à 800 MPa, voire supérieure à 1000 MPa, et
    - un allongement relatif à rupture Arsupérieur à 15 %, voire supérieur à 30 %.
  9. Pièce constituée en tout ou partie par l’acier inoxydable selon l’une quelconque des revendications précédentes, de préférence présentant une masse supérieure à 0,1 kg.
  10. Procédé de fabrication d’une pièce selon la revendication précédente, le procédé comportant les étapes successives suivantes consistant à :
    a) fondre une charge de départ dans une atmosphère non oxydante formée d’un gaz azoté jusqu’à obtention d’une matière en fusion,
    b) couler et solidifier la matière en fusion, par refroidissement, de manière à obtenir la pièce.
  11. Procédé selon la revendication précédente, la pression partielle d’azote du gaz azoté étant supérieure à 1 atm et/ou inférieure ou égale à 2 atm.
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, le gaz azoté comportant plus de 80 % en volume, de préférence plus de 90 % en volume, de préférence plus de 99 % en volume d’azote, voire consistant en de l’azote.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, comportant une étape c) de parachèvement de la pièce, de préférence choisi parmi le décochage, le démasselottage, l’ébavurage, le meulage, le grenaillage, le sablage, le brossage et le polissage.
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, comportant une étape de traitement thermomécanique de la pièce.
  15. Procédé selon la revendication précédente, l’étape de traitement thermomécanique comportant un recuit à une température comprise entre 700 °C et 1000 °C.
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