Brevet FR2011766A1 — publié le 19700306

L'invention concerne un perfectionnement apporté aux procédés de traitement thermique des aciers austénitiques métastables et martensitiques inoxydables dans une atmosphère contrôlée comprenant un ou plusieurs des gaz inertes du groupe 5 constitué par l'argon, l'hélium et l'azote, avec éventuellement une faible adjonction d'hydrogène. Conformément à l'invention, l'atmosphère est contrôlée de façon à ne pas donner lieu à ou provoquer une tendance à la fragilité par l'hydrogène, carburation ou oxydation. L'atmosphère demeure contrôlée depuis le début 10 du traitement thermique de l'acier laminé à froid sous sa température de traitement thermique nécessaire jusqu'à son refroidissement final à sa vitesse de refroidissement. Le point de rosée de l'atmosphère et la valeur de la quantité d'éléments ramassés par l'acier au cours du traitement thermique sont l'un et l'autre 15 contrôlés. Cette méthode ne nuit pas à l'aspect brillant de la surface de l'acier traité. Une caractéristique typique et souvent souhaitable des aciers inoxydables est constituée par un aspect métallique brillant de leur surface qui les rend utiles à des fins de déco-20 ration en automobile et dans le bâtiment; si cependant l'acier inoxydable est traité thermiquement dans l'air ou dans certaines autres atmosphères de traitement thermique classiques, la surface peut s'oxyder en présentant un fini mat. Pour éviter l'oxydation, il a été courant de traiter thermiquement l'acier inoxydable 25 dans une atmosphère réductrice contenant une forte proportion d'hydrogène. Ceci a cependant entraîné une tendance indésirable de l'acier à la fragilité par l'hydrogène et une diminution correspondante de ses propriétés physiques. La présente invention fournit un procédé pour le traitement thermique brillant des 30 aciers inoxydables qui évite les problèmes d'oxydation superficielle et de tendance à la fragilité par l'hydrogène. On a découvert que l'acier inoxydable peut d'une façon efficace être traité thermiquement dans une atmosphère contenant un gaz inerte^, c'est-à-dire une atmosphère contenant au moins environ 50% de 35 gaz du groupe constitué par l'argon, l'hélium et l'azote^ avec comme résultat le fait que l'on peut maintenir un aspect brillant pour la surface de l'acier inoxydable et éviter la-tendance à la fragilité par l'hydrogène. Des atmosphères telles que celles qui sont utilisées dans la mise en oeuvre de l'invention sont non 40 carburantes étant donné que la carburation des surfaces d'acier BAD ORIGINAL 69 20650 2 2011766 inoxydable entraîne une diminution de la résistance à la corrosion. Avec de nombreux aciers, à savoir avec des aciers qui ne sont pas sujets à une tendance à la fragilité par l'hydrogène, 5 il est possible de diluer l'atmosphère de gaz inerte avec de l'hydrogène sans provoquer de tendance à la fragilité par l'hydrogène ou sans nuire à l'aspect de la surface. On a en général noté que des aciers contenant de la martensite sont particulièrement sujets à une tendance à la fragilité par l'hydrogène et que ceux 10 qui ne contiennent pas de martensite ne sont pas si vulnérables. Il n'est en général pas nécessaire de traiter des aciers inoxydables austénitiques d'une manière spéciale quelconque pour éviter la tendance à la fragilité par l'hydrogène. L'invention peut être mise en oeuvre avec des aciers inoxydables austéniti-15 ques métastables et avec des aciers inoxydables martensitiques. Bien que des aciers inoxydables austénitiques métastables soient normalement austénitiques à la température ambiante, et qu'ils ne soient par conséquent pas sujets à une tendance à la fragilité par l'hydrogène, le travail à froid de ces alliages 20 peut provoquer la transformation d'une partie de l'austénite en martensite qui, ainsi qu'il a été mentionné plus haut, sera sujette à une tendance à la fragilité par l'hydrogène. Des exemples d'aciers inoxydables austénitiques métastables sont la nuance 301 et les nuances du commerce AM 350 et AM 355. 25 Conformément à l'invention, des aciers inoxydables austénitiques métastables peuvent être traités thermiquement dans une atmosphère constituée essentiellement de mélanges d'un gaz inerte dans l'hydrogène, le gaz inerte étant présent dans une proportion supérieure à c'est-à-dire en majorité. L'utilisa- J0 tion de mélanges de gaz inerte avec de l'hydrogène présente comme avantage le fait que l'on peut utiliser des atmosphères contenant une plus grande quantité d'humidité, c'est-à-dire des atmosphères présentant une température de point de rosée plus élevée, sans nuire à l'aspect brillant de la surface de l'acier inoxydable. Il 35 est également possible avec des mélanges d'hydrogène et de gaz inerte de refroidir le produit traité thermiquement jusqu'à des températures très faibles pour obtenir des résultats métallurgiques et/ou physiques particuliers plus rapidement que dans des gaz sans hydrogène. Dans la mise en oeuvre de l'invention, on 40 utilise de préférence comme gaz inerte de l'azote. BAB ORIGINAL 69 20650 3 2011766 De nombreux aciers martensitiques, par exemple les nuances 403, 410, 4l4, 4l6, 420, 431 et 440 sont connus pour être très sensibles à la tendance à la fragilité par l'hydrogène, cette action croissant en général avec la teneur en carbone et 5 avec le degré du traitement thermique. On a observé qu'un traitement thermique brillant, par exemple un durcissement ou trempe, . conforme à l'invention donne line ductibilité accrue: à partir d'une valeur pratiquement nulle, ce qui entraîne un traitement thermique dans l'ammoniac craqué à environ 7$. On peut obtenir 10 des perfectionnements analogues dans la.ductibilité avec à la fois des atmosphères d'hydrogène-azote et d'azote. Les exemples qui suivent illustrent une mise en oeuvre préférée de l'invention. On prépare une série de coulées dont la composition est présentée dans le tableau I ci-dessous. 15 (page 4).On découpe des sections rectangulaires de bandes laminées à froid ayant les compositions du tableau I et on les recuit è. une température de four de 1107°C pendant 70 secondes. On réalise le recuit dans différentes atmosphères gazeuses, puis on soumet les échantillons à des essais de propriétés physiques. 20 Les résultats de ces essais sont reportés dans le tableau II ci-dessous (pages 5, 6 et y)qui présente les propriétés des échantillons dans le sens transversal. Il ressort des valeurs du tableau II que la protection de surface résultant de l'exposition à line atmosphère 25 contrôlée conforme à l'invention peut être mise en oeuvre quel que soit le traitement thermique utilisé. De plus, des aciers inoxydables martensitiques et austénitiques métastables peuvent être recuits, durcis ou trempés, etc... dans des atmosphères de gaz inerte avec ou sans hydrogène sans disparition de l'aspect 30 métallique brillant souhaitable caractéristique de l'acier inoxydable . La surface des aciers inoxydables traités conformément à l'invention est d'aspect brillant et net lorsque le point de rosée de l'atmosphère est contrôlé avec soin. Ceci ressort du 35 tableau III suivant (pages£ résume les aspects ou apparen ces de bandes définitives résultant de divers traitements. Comme le montrent les exemples précédents, on peut tolérer une humidité considérable dans des atmosphères contenant de l'hydrogène; il est cependant nécessaire d'utiliser des gaz 40 ayant un point de rosée de - 28,9°C ou plus secs pour de TABLEAU Coulée Epaisseur C Mn P S 330928 0,559 mm 0,12 0,70 0,020 0,004 340014 0,534 mm 0,12 0,72 0,020 0,005 340730 0,534 mm 0,12 0,69 0,025 0,013 ©* -C K> O O en O SI Cr NI Mo Cu 0,60 16,50 7*22 0,12 0,21 0,42 16,50 7,18 0,19 0,27 0,37 16,74 7,23 0,13 0,23 K/' ÇD- o o Point de Atmos-rosée "C1 phère Traitement après ' recuit * Normal Air 45,6 H - 40 . tt ïi M tt tt 36,1 Aucun ii n Pass. Décap. P et D 20$ H +80$ N Aucun 100$ N ■tt 100$ Ar" !t tt tl 100$ N ïï 100$ H ■ ■ n Aucun Pass. Aucun tt Pass. n Aucun Pass. Aucun Pass. - 36,1 75$ H+ 25$ N Aucun " P et D 20$ H+ 80$ N Aucun TABLEAU 11 1 Dureté * $ Chargé de Limite Rockwell Genre de H, ppm Allong. rupture -élastiaue superficielle cassure xx O kg/mm2 kg/mm* échelle 30-T O" i >11 !■ «■ —I I Il I WI-I.. ■■ .■ I- m I . !■■■ ■ III I wmmu. Il II « M I I ■ ■ i— f «| PROPRIETES TRANSVERSALES COULEE 330928 0 0,30 55,5 208 52,8 69 C 0,38 55 226 54,3 - c 0,38 58 222 52,8 - c 0,32 59 205 54,3 68 c 0,34 . 56,5 208 54,3 68,5 c 0,30 60,5 208" 54,3 69 c 1,82 56 201 52,8 70 c 1,83 ' 57 209 ' 58,9 - c 0,17 57 , 203 58,9 .69 c 0,25' 58' 203 58,9 :.69s. c 0,18 59,5; 208 .55,8 69 c 0,18 57 212 55,8 68,5 c 0,24 55,5 206 62 69 c 0,23 55 201 57,4 69 c 0,11 55,5 203 58,9 69 c 0,18 56,5 198 58,9 69 c 4,4 40 184 60,5 - T 4,4 . 37 177 60,5 - T 3,7 34,5 172 55,8 - T - 43 191 52,8 - T - 58,5 200 60,5 - C VJ1 K) O •«-4 O O Point d® rosé© °C Atraosphë- Traitement re après recuit + (suite) H, ppra Allong. Charge de Limite élas- TABLEAU XI T Dureté Ro'ckwell Superficielle Genre de cassure kg/mm: 2 kg/mm2 PROPRIETES TRANSVERSALES coutËË tatrèèB - 56,1 20# H+80# N Aucun 2,2 55 203 60,5 70 C M tl Pass. - 59,5 203 58,9 - C II II P et D - 60 205 63,5 - C • 28,9 100# N Aucun 0,29 58,5 206 60,5 69 c 19 II Pass. 0,35 58 208 62,0 69 G II 15 Décap. 0,30 58 212 62,0 69 C II II P et D 0,30 61,5 206 63,5 69 c tl 100# Ar Aucun 0,28 57 212 60,5 68 c II II Pass. 0,28 ;58,5 209 62,0 69 c tt II Décap. 0,29. 58 215 62,0 68 c II II P et D 0,28 59,5 211 62,0 68,5 c PROPRIETES TRANSVERSALES COULEI 340014 Normal' Air Aucun - 70 177 57,4 68 c n M «i n 0,6 69 175 52,8 68 c H n n - 70 169 54,3 68 0 1! n ii 0,4 72 186 63,5 69 c 48,9 10#H + 90# N » - 68 174 57,4 69 c It II » 1,3 68,5 170, 52,8 68 c " 20#H » o 00 + n 2,1 69,5 172 54,3 68 c n II n - 69,5 175 55,8 67,5 c " 75#H + 25# N n 3,7 47 166 54,3 69 T II » n - 50,5 178 46,5 67 T II M H - 57 174 57,4 69,5 T N> O O en O o\ K> O *-4 O O o *o TABLEAU II ( suite ) K> " O O-en O pass, « électropassivation Décap. « décapage électrolytique P et D a électropassivation suivie d'un décapage électrolytique. C « cassure en cisaillement - ductil T « cassure transversale - fragile M « cassure mixte (en cisaillement et transversale) K> O --4 O O TABLEAU III Point de rosée Extraction de °C Atmosphère i«oxygène résiduel (1) tt » tt tt tt tt 100# argon 100# argon - 56,1 ou inférieur 100# H Oui " 75#H +25# N " 20#H +80# N " 10#H +90# N " n 10#H +90# H Non " ■ 100# N w " 100# N Oui M 100# argon n 28,9 100# N Oui 11 100# N B " 100# N 11 " 100# N " 100# argon n 100# argon w 100# argon n 100#. argon tt 100# N Non 100# N w 100# N n " 100# N n 100# ïrgon " " 100# argon " * R Traitement après recuit Passivé «u non m n n n h tt tt n n n n tt r n r n n tt R n it Auoun Pas s lira t ion Décapage électrolytique Pass. + déoàpage Auoun Passivation Déoapage éleo- trolytique Pass. + déoapage Auoun Passivation Déoapage électrolytique Pass* + déoapage Auoun Passivation Décapage électro-.lytlque Pass. + déoapage Aspect de la bande après recuit (2) Net Net Net Net Net Net Net Net Bleu fumée léger Film grlB très faible Net Net Bleu fumée léger Film gris très faible Net Net Bleu fumée léger Bleu fumée très léger Aspect fumeux très léger, pas bleu Aspect fumeux très léger, pas bleu Bleu fumée léger Bleu faible, pas d'aspect fumeux Net Net K> O O tn O oo K> O ^4 O O TABLEAU III (suite) Point de rosée °C - 24,4 « Normal tt Atmosphère 100# H 75#H +25# N 20#H +80# N Air Air Extraction de l'oxygène résiduel Oui n Traitement après reouit Passivé ou non Passivé ou non Passivé ou non Aucun Passivation Aspect de la bande après reouit (2) Net Net Film brun/bleu léger Gris/brunâtre lourd Gris/brunâtre plus léger (1) Oxygène extrait catalytiquement à partir d'une teneur normale pour des gaz de réservoir à 1 ppm ou moins. (2) Echantillon^assivés et/ou décapés rincés à l'eau et légèrement essuyés à l'état encore humide. 69 20650 10 2011766 nombreuses nuances d'aciers. Dans la mise en oeuvre préférée, on utilise, un maximum de 20# d'hydrogène. Lorsqu'on utilise des atmosphères constituées essentiellement de tous les gaz inertes, il faut alors employer des températures d^oint de rasée infé-5 rieures à - 28,9°C, de préférence à - 36,1°C ou encore plus faibles. L'abaissement de la ductilité qui peut se traduire par une tendance à la fragilité par l'hydrogène est une fonction, entre autres, de la quantité d'hydrogène ramassée par le métal 10 à partir de l'atmosphère. En général, lorsque le ramassage d'hydrogène dépasse environ 2 ppm, la duotilité devient inacceptable pour certaines applications d'emboutissage profond. Pour cette raison, on croyait couramment que la présence d'hydrogène en quelque proportion que ce soit dans des atmosphères de trai-15 .tement thermique était indésirable. Cependant, comme lé montrent les exemples précédents, l'hydrogène petit être présent sous des conditions contrôlées sans affecter la ductilité d'une façon nuisible notable. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, on peut utiliser 20 divers traitements thermiques dans la mise en oeuvre de l'invention. Les traitements thermiques particuliers utilisés dépendent évidemment des résultats recherchés et des produits traités. On effectue en général vin reeult à 649 - 1182*0 et un durcissement ou trempe à 926 - 1149°C. 25 Le produit traité thermiquement est également refroidi dans l'atmosphère contrôlée sous des conditions qui écartent la disparition de l'aspect brillant de la surface par oxydation excessive. Le refroidissement doit en général être effectué ii une vitesse suffisamment élevée et à line température suffisam-30 ment basse pour éviter une décoloration de la surface. Les vitesses de refroidissement et les températures finales particulières requises varient avec les différentes compositions d'aciers, conditions dans le four, atmosphères, points de rosée, etc... et il est facile de les déterminer empi-35 riquement pour des conditions déterminées. 69 20650 10. 2011766 - REVENDICATIONS - 1.- Procédé de traitement thermique des aciers austénitiques métastables et martensitiques., qui, effectué en atmosphère contrôlée, conserve l'aspect superficiel brillance ces aciers 5 et qui est caractérisé par le fait qu'on chauffe l'acier laminé à froid jusqu'à la température de traitement thermique, dans une atdosphère contrôlée qui prévient toute carburation et oxydation, dont le point de rosée est inférieur à - 28,9°C et qui est constituée totalement ou pour la plus grande partie de gaz inertes 10 du groupe comprenant l'argon, l'hélium et l'azote ou de mélanges de oeux-ol, ou encore contenant une faible addition d'hydrogène, l'acier étant alors refroidi dans la mène atmosphère contrôlée, à': sa .vitoasn' de refroidissement et jusqu'à la température seulement au-dessous de laquelle apparaît une oxydation de sur-15 faee qui détruit 1*aspect superficiel brillant; 2,- Procédé selon La revendication 1, caractérisé par le fait que l'atmosphère contrôlée présente un point de rosée qui n'est pas supérieur à environ - 36,1*0. - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, 20 caractérisé par le fait que l'atmosphère contrôlée contient moins de 20# d'hydrogène. 4,- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3# caractérisé par le fait qu'on exécute le traitement thermique de telle façon que la quantité d'hydrogène ramassée par l'acier 25 au cours de ce traitement ne dépasse pas 2 ppm.