WO2006016010A1 - Composition d'acier inoxydable austenitique et son utilisation pour la fabrication de pieces de structure de moyens de transport terrestres et de containers - Google Patents

Composition d'acier inoxydable austenitique et son utilisation pour la fabrication de pieces de structure de moyens de transport terrestres et de containers Download PDF

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steel composition
composition
austenitic stainless
stainless steel
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Françoise Haegeli
Nuri Akdut
Peter Caenen
Raf Thys
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Ugine & Alz France
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Definitions

  • the present invention relates to an improved steel composition which can in particular be used for the manufacture of structural parts of land transport means, as well as for the manufacture of containers for all types of industries, such as, for example, the chemical industry or the agri-food industry.
  • this new composition can be advantageously used for all applications requiring a large potential for energy absorption, especially in case of accidents, as well as good resistance to pitting and corrosion corrosion. widespread.
  • the problem of weight reduction is a constant concern for the manufacturers of means of transport in general, and in particular for the manufacturers and the users of transport tanks. Because of the weight limitations imposed on trucks, for example, the manufacturers of these trucks are constantly seeking technical solutions to reduce the weight of the structure, while increasing the volume of products transported and reducing the amount of steel. necessary for the manufacture of a tank, by reducing the thickness of the steel sheets used.
  • a degradation of the corrosion resistance of the steel can not be envisaged, in particular for applications in the fields of chemistry or agri-food where the storage and transport of acidic liquids, even corrosive, is common.
  • the steel grades available on the market do not meet both the requirements for improved crash resistance and good resistance against corrosion.
  • the type 301, 301 LN, 304 or 305 grades do not have good corrosion resistance characteristics, while the 316 duplex steel grades do not have satisfactory crash resistance.
  • the object of the present invention is to provide an improved steel composition having good pitting corrosion and generalized corrosion resistance characteristics as well as an absorption potential. higher energy than the steel grades of the prior art.
  • a first subject of the invention consists of a composition of austenitic stainless steel, comprising, in% by weight:
  • the steel composition according to the invention makes it possible to obtain a stainless steel with an austenitic structure, but whose austenite is sufficiently unstable at ambient temperature (Md value), and which has a corrosion resistance at the same level as that of 316L, in particular with regard to pitting corrosion, and good processability by controlling the delta ferrite content.
  • the steel composition according to the invention may also have the following additional characteristics, taken alone or in combination:
  • the steel composition comprises less than 16.0% of chromium
  • the steel composition comprises less than 9.5% nickel.
  • the steel composition has a stability index value of austenite Md30, defined by the formula:
  • Md30 497-462 (% C +% N) - 9.2x% Si - 8.1x% Mn -13.7x% Cr - 20 x% Ni -18.5x% Mo between -130 and + 9OC, preferably between 0 and 600 ° C., and more particularly preferably between 0 and 30 ° C.
  • the steel composition has a delta ferrite content of less than or equal to 7%, -
  • the steel composition has a value of the product Rm x A, in which Rm is the tensile strength of the steel and A 1 elongation of the steel, greater than 32,000, preferably greater than 34,000.
  • a second object of the invention is constituted by the use of the steel according to the invention for the manufacture of containers and for the manufacture of structural parts of terrestrial transport means.
  • the austenitic stainless steel composition according to the invention comprises up to 0.03% carbon.
  • the carbon content is between 0.022 and 0.027%.
  • composition also comprises chromium in a
  • Chromium is an essential element for the corrosion resistance of the grade. Its content is limited because of its influence on the stability of the austenitic structure.
  • the composition also comprises nickel at a content of 8 to 10%, preferably between 8 and 9.5%, more preferably between 8 and 9.0%, and better still between 8.9 and 9.1%. .
  • the main effect of this element is its favorable action on the resistance to generalized corrosion. Its content is limited because of its high cost and its influence on the stability of the austenitic structure.
  • composition further comprises molybdenum at a content of
  • This element makes it possible to improve the resistance to corrosion, in particular the pitting resistance of the grade, but must be limited because of its curing effect.
  • the composition may also comprise up to 2.0% of manganese and advantageously up to 1.45% of manganese.
  • the manganese content is between 1.3 and 1.55%.
  • the composition may also comprise up to 1.0% silicon and advantageously up to 0.5% silicon.
  • the silicon content is between 0.35 and 0.5%. This element can be used as a deoxidizing agent during the shaping of the grade, but must be limited because of its detrimental influence on the formability of the grade.
  • the composition may also comprise nitrogen at a maximum content of 0.20%, preferably 0.03%. In a preferred embodiment, the nitrogen content is between 0.02 and 0.03%. This element has a hardening effect when present in solid solution in steel. It can thus participate in increasing the tensile strength Rm, but at the same time decreases the value of the elongation A. Its addition is therefore limited to the values mentioned above.
  • the composition may also contain copper at a maximum level of 1.0%, and preferably 0.4%. Copper also acts as a hardening element when present in solid solution. Its content is limited to 0.4% because of its negative influence on the corrosion resistance but also on the hot formability of the grade.
  • the composition may finally contain residual elements, such as titanium at a maximum content of 0.01%, cobalt at a maximum content of 0.5%, tin at a maximum content of 0.4%, phosphorus in a maximum content of 0.045% and sulfur in a maximum of 0.030%.
  • residual elements such as titanium at a maximum content of 0.01%, cobalt at a maximum content of 0.5%, tin at a maximum content of 0.4%, phosphorus in a maximum content of 0.045% and sulfur in a maximum of 0.030%.
  • the sulfur content is limited to 0.030%, preferably to 0.0080%, and more preferably to 0.0060%, because of its detrimental effect on the corrosion resistance.
  • it can combine easily with manganese to generate MnS inclusions that are not desired.
  • ⁇ represents the delta ferrite content, expressed in%, and measured by X-ray diffraction after electropolishing.
  • the steel compositions A and B are according to the present invention, while the steel composition C is a comparative example.
  • the steel samples were soaked in a solution containing 0.5M NaCl and having a pH of 6.6 and a temperature of 23 ° C. The samples were then milled in the wet state with 1200 SiC abrasive paper.
  • the rupture potential of each sample was then evaluated at a rate of 100 rnV / min, starting from the free corrosion potential.
  • the end flow was 50 ⁇ A / cm 2 .
  • the steel samples were soaked in a solution containing 2M H 2 SO 4 at a temperature of 23 ° C.
  • the samples were then milled in the wet state with a 1200-grit sandpaper. SiC.
  • the critical current (maximum current value reached in the active phase) of each sample was then evaluated at a rate of 10 mV / min, from -750 mV / ECS to 1200 mV / ECS and the weight loss was evaluated.
  • BP represents the rupture potential, expressed in mV with respect to the ECS (saturated calomel electrode),
  • CC represents the critical current, expressed in ⁇ A / cm 2 .
  • the steel composition according to the invention makes it possible to reach very high levels of the RmxA product, mainly because of an improvement in elongation, the value of Rm remaining stable. .
  • This improved elongation value has the additional advantage of facilitating the subsequent manufacture of containers because the steel is more easily formable.
  • the low delta ferrite content is further favorable for the weldability and corrosion resistance of the grade.
  • This new steel composition significantly reduces the thickness of the steel sheets required for the manufacture of a container, which reduces its cost, increases the transportable load and also saves energy when the container goes empty.
  • a reduction of 0.1 mm in thickness of the sheet represents an increase of 35 kg of the transportable load.

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Abstract

L'invention concerne une composition d'acier inoxydable austénitique comprenant, en % en poids : C ≤ 0,03 %, 14 % ≤ Cr ≤ 17 %, 8 % ≤ Ni ≤ 10 %, 2,0 % ≤ Mo ≤ 3,5 %, Mn ≤ 2,0 %, Si ≤ 1,0 %, N ≤ 0,20 %, Cu ≤ 1,0 %, Ti ≤ 0,01 %, Co ≤ 0,5 %, Sn ≤ 0,4 %, P ≤ 0,045 %, S ≤ 0,030 %, le complément étant constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration, ainsi que son utilisation pour la fabrication de containers et de pièces de structure pour moyens de transport terrestres.

Description

COMPOSITION D'ACIER INOXYDABLE AUSTENITIQUE ET SON UTILISATION POUR LA FABRICATION DE PIECES DE STRUCTURE DE MOYENS DE TRANSPORT TERRESTRES ET DE CONTAINERS
La présente invention concerne une composition d'acier améliorée qui peut en particulier être utilisée pour la fabrication de pièces de structure de moyens de transport terrestres, ainsi que pour la fabrication de containers pour tous types d'industries, comme, par exemple, l'industrie chimique ou l'industrie agroalimentaire.
De façon plus générale, cette nouvelle composition peut être avantageusement utilisée pour toutes les applications nécessitant un important potentiel d'absorption d'énergie, en particulier en cas d'accidents, ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion par piqûres et à la corrosion généralisée. La problématique de la réduction du poids est une préoccupation constante pour les fabricants de moyens de transports en général, et en particulier pour les fabricants et les utilisateurs de cuves de transport. En raison des limitations de poids imposées pour les camions, par exemple, les fabricants de ces camions cherchent constamment des solutions techniques leur permettant de diminuer le poids de la structure, tout en augmentant le volume de produits transportés et en diminuant la quantité d'acier nécessaire à la fabrication d'une cuve, en réduisant l'épaisseur des feuilles d'acier utilisées.
D'un autre côté, il n'est pas envisageable d'abaisser la sécurité de ces camions, et une réduction de l'épaisseur des feuilles d'acier ne peut être admise que si cet acier présente un potentiel d'absorption d'énergie amélioré. Ce potentiel d'absorption d'énergie, encore appelé résistance au crash, peut être évalué par la valeur du produit Rm x A, dans lequel Rm représente la résistance à la traction de l'acier en MPa, et A représente l'allongement de l'acier en %. Son amélioration dépend donc de ces deux facteurs et de leur évolution.
Par ailleurs, une dégradation de la tenue à la corrosion de l'acier ne peut être envisagée, en particulier pour des applications dans les domaines de la chimie ou de l'agroalinnentaire où le stockage et le transport de liquides acides, voire corrosives, est fréquent.
Les nuances d'acier existant sur le marché ne permettent pas de satisfaire à la fois les exigences de résistance au crash améliorée et de bonne résistance contre la corrosion. Ainsi, les nuances de type 301 , 301 LN, 304 ou 305 ne présentant pas de bonnes caractéristiques de tenue à la corrosion, tandis que les nuances d'acier duplex 316 n'ont pas une résistance au crash satisfaisante.
Compte-tenu des ces éléments, la présente invention a pour but de mettre à disposition une composition d'acier améliorée, présentant de bonnes caractéristiques de résistance contre la corrosion par piqûres et contre la corrosion généralisée, ainsi qu'un potentiel d'absorption d'énergie plus importants que celui des nuances d'acier de l'art antérieur.
Un premier objet de l'invention est constitué par une composition d'acier inoxydable austénitique, comprenant, en % en poids :
C < 0,03 % 14 % < Cr < 17 % 8 % < Ni < 10 % 2,0 % < Mo < 3,5 %
Mn < 2,0 % Si < 1,0 % N < 0,20 % Cu < 1 ,0 % Ti < 0,01 %
Co < 0,5 % Sn < 0,4 % P < 0,045 % S < 0,030 % le complément étant constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration. La composition d'acier selon l'invention permet d'obtenir un acier inoxydable à structure austénitique, mais dont l'austénite est suffisamment instable à température ambiante (valeur de Md), et qui présente une résistance à la corrosion du même niveau que celle de la nuance 316L_ en particulier en ce qui concerne la corrosion par piqûres, et une bonne aptitude à la mise en oeuvre par le contrôle de la teneur en ferrite delta.
La composition d'acier selon l'invention peut également présenter les caractéristiques supplémentaires suivantes, prises isolément ou en combinaison : - La composition d'acier comprend moins de 16,0% de chrome
- La composition d'acier comprend moins de 9,5% de nickel.
- La composition d'acier présente une valeur d'indice de stabilité de l'austénite Md30, défini par la formule :
Md30 = 497 - 462(%C+%N) - 9,2x%Si - 8,1x%Mn -13,7x%Cr - 20 x%Ni -18,5x%Mo comprise entre -130 et + 9OC, de préférence entre 0 et 6O0C, et de façon plus particulièrement préférée comprise entre 0 et 300C.
- La composition d'acier présente une teneur en ferrite delta inférieure ou égale à 7%, - La composition d'acier présente une valeur du produit Rm x A, dans lequel Rm est la résistance à la traction de l'acier et A l'allongement de l'acier, supérieure à 32 000, de préférence supérieure à 34000.
Un second objet de l'invention est constitué par l'utilisation de l'acier selon l'invention pour la fabrication de containers et pour la fabrication pièces de structure de moyens de transport terrestres.
Dans le cadre de cette demande, il faut comprendre par moyens de transport terrestres les véhicules automobiles, mais aussi les moyens de transport ferroviaires de toutes sortes. Les containers auxquels s'adressent l'invention peuvent notamment être utilisés pour le transport de toutes sortes de matières liquides, solides ou gazeuses, telles que des acides, du lait ou du vin par exemple. L'invention va à présent être décrite en détail, la portée des revendications n'étant bien sur pas limitée par cette description.
La composition d'acier inoxydable austénitique selon l'invention comprend jusqu'à 0,03% de carbone. Dans un mode de réalisation préféré, la teneur en carbone est comprise entre 0,022 et 0,027%.
La composition comprend également du chrome en une teneur de
14 à 17%, de préférence entre 14 et 16,5%, de façon plus particulièrement préférée entre 14 et 16,0%, et mieux entre 15 et 15,2%. Le chrome est un élément essentiel pour la résistance à la corrosion de la nuance. Sa teneur est limitée en raison de son influence sur la stabilité de la structure austénitique.
La composition comprend également du nickel en une teneur de 8 à 10%, de façon préférée entre 8 et 9,5%, de façon plus particulièrement préférée entre 8 et 9,0 %, et mieux entre 8,9 et 9,1%. Le principal effet de cet élément est son action favorable sur la résistance à la corrosion généralisée. Sa teneur est limitée en raison de son coût élevé et de son influence sur la stabilité de la structure austénitique.
La composition comprend en outre du molybdène en une teneur de
2,0 à 3,5%, de préférence entre 2,0 et 3,0%, et de façon plus particulièrement préférée entre 2,9 et 3,1%. Cet élément permet d'améliorer la tenue à la corrosion, en particulier la tenue à la corrosion par piqûres de la nuance, mais doit être limité en raison de son effet durcissant.
La composition peut aussi comprendre jusqu'à 2,0% de manganèse et avantageusement jusqu'à 1 ,45% de manganèse. Dans un mode de réalisation préféré, la teneur en manganèse est comprise entre 1 ,3 et 1 ,45%. La composition peut également comprendre jusqu'à 1 ,0% de silicium et avantageusement jusqu'à 0,5% de silicium. Dans un mode de réalisation préféré, la teneur en silicium est comprise, entre 0,35 et 0,5%. Cet élément peut être utilisé comme agent désoxydant pendant l'élaboration de la nuance, mais doit être limité en raison de son influence néfaste sur la formabilité de la nuance.
La composition peut aussi comprendre de l'azote en une teneur maximale de 0,20%, de préférence de 0,03%. Dans un mode de réalisation préféré, la teneur en azote est comprise entre 0,02 et 0,03%. Cet élément a un effet durcissant lorsqu'il est présent en solution solide dans l'acier. Il peut ainsi participer à l'augmentation de la résistance à la traction Rm, mais il diminue dans le même temps la valeur de l'allongement A. Son ajout est donc limité aux valeurs mentionnées ci-dessus. La composition peut également contenir du cuivre en une teneur maximale de 1 ,0%, et de préférence de 0,4%. Le cuivre agit aussi comme un élément durcissant lorsqu'il est présent en solution solide. Sa teneur est limitée à 0,4% en raison de son influence négative sur la résistance à la corrosion mais aussi sur la formabilité à chaud de la nuance. La composition peut enfin contenir des éléments résiduels, tels que le titane en une teneur maximum de 0,01%, le cobalt en une teneur maximum de 0,5%, l'étain en une teneur maximum de 0,4%, le phosphore en une teneur maximum de 0,045% et le soufre en une teneur maximum de 0,030%.
On limite en particulier la teneur en soufre à 0,030%, de préférence à 0,0080%, et de façon plus particulièrement préférée à 0,0060%, en raison de son influence néfaste sur la résistance à la corrosion. En outre, il peut se combiner facilement au manganèse pour générer des inclusions de type MnS qui ne sont pas souhaitées.
Exemples
Caractéristiques mécaniques
Des aciers dont les compositions sont rassemblées dans le tableau
1 , ont été élaborés, puis coulés en continu sous forme de brames et laminés à chaud jusqu'à atteindre une épaisseur de 8 mm. Les bandes laminées à chaud ont ensuite été recuites en continu à une température de 11500C, puis laminées à froid jusqu'à atteindre une épaisseur finale de 4,2 mm.
Les bandes laminées à froid ont ensuite été recuites en continu à une température de 10400C. Les caractéristiques mécaniques de chaque bande laminée à froid ont été mesurées et rassemblées dans le tableau 2. Les abréviations suivantes ont été utilisées :
• A : représente l'allongement de l'acier, exprimé en %
• Rm : représente la résistance à la traction de l'acier, exprimée en MPa
• Δ : représente la teneur en ferrite delta, exprimée en %, et mesurée par diffraction RX après électro-polissage.
Les compositions d'aciers A et B sont selon la présente invention, tandis que la composition d'acier C est un exemple comparatif.
Tableau 1
Figure imgf000007_0001
Tableau 2
Figure imgf000007_0002
Résistance à la corrosion
Les résistances à la corrosion par piqûres et à la corrosion généralisée des échantillons ont été mesurées selon les procédures suivantes :
Corrosion par piqûres
Selon la norme ASTM G 61 , les échantillons d'acier ont été trempés dans une solution contenant 0,5M de NaCI, et ayant un pH de 6,6 et une température de 23°C. Les échantillons ont ensuite été meules à l'état humide avec un papier abrasif 1200 SiC.
Le potentiel de rupture de chaque échantillon a ensuite été évalué à une vitesse de 100 rnV/min, en partant du potentiel de corrosion libre. Le courant de fin était de 50 μA/cm2.
Corrosion généralisée
Selon la norme ASTM G 61 , les échantillons d'acier ont été trempés dans une solution contenant 2M de H2SO4, à une température de 230C. Les échantillons ont ensuite été meules à l'état humide avec un papier abrasif 1200 SiC. Le courant critique (valeur maximum de courant atteinte dans la phase active) de chaque échantillon a ensuite été évalué à une vitesse de 10 mV/min, de -750 mV/ECS à 1200 mV/ECS et la perte en poids a été évaluée.
Les abréviations suivantes ont été employées :
• BP : représente le potentiel de rupture, exprimé en mV par rapport à l'ECS (électrode au calomel saturée),
• CC : représente le courant critique, exprimé en μA/cm2.
• WL : représente la perte en poids, exprimée en mm/an
Les résultats des tests de corrosion ont été rassemblés dans le tableau 3. Tableau 3
Figure imgf000009_0001
Comme on peut le voir d'après ces tests, la composition d'acier selon l'invention permet d'atteindre de très hauts niveaux du produit RmxA, principalement en raison d'une amélioration de l'allongement, la valeur de Rm restant stable. Cette valeur améliorée d'allongement présente l'avantage supplémentaire de faciliter la fabrication ultérieure de containers, car l'acier est plus facilement formable.
La faible teneur en ferrite delta est en outre favorable pour la soudabilité et la résistance à la corrosion de la nuance. Cette nouvelle composition d'acier permet de réduire significativement l'épaisseur des feuilles d'acier requise pour la fabrication d'un container, ce qui réduit son coût, permet d'augmenter la charge transportable et permet également une économie d'énergie lorsque le container rentre à vide.
Ainsi, on peut noter qu'une réduction de 0,1 mm d'épaisseur de la feuille représente une augmentation de 35 kg de la charge transportable. Si l'on tient compte des performances de la nuance selon l'invention, on peut réaliser une diminution des feuilles d'acier de 0,2 mm dans la plupart des cas.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composition d'acier inoxydable austénitique comprenant, en % en poids :
C < 0,03 %
14 %≤ Cr ≤ 17% 8%< Ni≤ 10% 2,0 %< Mo≤ 3,5% Mn < 2,0%
Si < 1,0%
N < 0,20 %
Cu < 1,0%
Ti < 0,01 % Co < 0,5%
Sn < 0,4 %
P< 0,045%
S < 0,030 % le complément étant constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration.
2. Composition d'acier selon la revendication 1 , comprenant en outre moins de 16,0% de chrome.
3. Composition d'acier selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre moins de 9,5% de nickel.
4. Composition d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre, en % en poids : 0,022 % < C < 0,027 %
15 %≤ Cr < 15,2% 8,9 %< Ni≤ 9,1 % 2,9 % < Mo < 3,1 % 1,3 %< Mn < 1,45% 0,35 % < Si ≤ 0,5 % 0,02 % < N < 0,03 % Cu ≤ 0,4 % Ti < 0,01 % Co < 0,5 %
Sn < 0,4 % P < 0,045 % S < 0,030 % le complément étant constitué de fer et d'impuretés inévitables résultant de l'élaboration.
5. Composition d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la valeur de l'index de stabilité de l'austénite Md30, défini par la formule : Md30 = 497 - 462(%C+%N) - 9,2x%Si - 8,1x%Mn -13,7x%Cr
- 20 x%Ni -18,5x%Mo est comprise entre -130 et + 900C.
6. Composition d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la valeur de l'index de stabilité de l'austénite
Md30, défini par la formule
Md30 = 497 - 462(%C+%N) - 9,2x%Si - 8,1x%Mn -13,7x%Cr - 20 x%Ni -18,5x%Mo est comprise entre 0 et 6O0C.
7. Composition d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que sa teneur en ferrite delta ferrite est inférieure ou égale à 7%.
8. Composition d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la valeur du produit Rm x A, dans lequel Rm est la résistance à la traction de l'acier et A l'allongement de l'acier, est supérieure à 32 000.
9. Composition d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la valeur du produit Rm x A, dans lequel Rm est la résistance à la traction de l'acier et A l'allongement de l'acier, est supérieure à 34 000.
10. Utilisation d'un acier inoxydable austénitique dont la composition est selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour la fabrication de containers.
11. Utilisation d'un acier inoxydable austénitique dont la composition est selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour la fabrication de pièces de structure de moyens de transport terrestres.
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