Brevet FR2003834A1 — publié le 19691114

La présente invention cohcerne une composition pour améliorer la résistance à la chaleur des aciers inoxydables austénitiques du système Cr-Ni destinés à être utilisés à température élevée. Il est bien connu qu'une résistance mécanique et une résis-5 tance à l'oxydation très élevées aux hautes températures sont né-cessaires pour les aciers destinés à certaines utilisations telles que pour la fabrication des chaudières. Lorsque la chaudière est de grande dimension et à ultra-haute pression elle nécessite une résistance mécanique élevée des aciers utilisés* ÎO A l'heure actuelle, parmi les aciers inoxydables austéniti*» ques à 18 % de chrome et 8 % de nickel, on utilise généralement pour les températures élevées et les hautes pressions, les aciers normalisés de l'industrie japonaise correspondant aux normes SUS-27, SUS-29, SUS-32 et similaires (correspondant aux normes 15 AISI 304, 321 et similaires). En fait, on utilise habituellement la nuance d'acier correspondant à la norme SUS-32 (Acier AISI 316) en raison de sa résistance supérieure aux températures élevées en dépit de son coût élevé dû au fait qu'il contient 2,0 à 3,0 % de Mo. D'autre part, 20 le coût de l'acier de la norme SUS-27 (acier AISI 304) est relativement faible tandis que sa résistance à température élevée est inférieure à celle de l'autre acier inoxydable. L'acier de la norme SUS-29 (acier AISI 321) résultant d'additions au dit acier SUS-27, présente une résistance à la chaleur plus élevée. On a toutefois 25 constaté que la résistance du dit acier SUS-29 décroit de façon notable au cours d'une utilisation prolongée, par exemple à 650°C, pendant 100.000 heures. En conséquence sa résistance mécanique se trouve avoir une valeur analogue à celle de l'acier SUS-27. Ainsi un acier réfractaire peu coûteux et ayant une résis-30 tance élevée n'est pas encore disponible industriellement. En conséquence, on cherche à produire des aciers réfractaires plus économiques. La présente invention a pour objet de satisfaire aux buts recherchés. L'acier réfractaire de la présente invention est ca-35 ractérisé par une addition de 0,001 à 0,30 % en poids de Ti, 0,001 à 0,30 % en poids de Nb + Ta et 0,2 à 5,0 % en poids de Mo ou par une adjonction supplémentaire, à la composition ci-dessus, de 0,0005 à 0,05 % en poids de B. Un objet de la présente invention est de fournir un acier 40 réfractaire économique destiné à être utilisé à température élevée 69 07177 2 2003834 H ayant une résistance mécanique et une résistanôe thermique plus élevées que celles des aciers inoxydables de la norme Japonaise JIS notamment que l'acier SUS-32 (ou acier AISI 316 dans la norme cor-respondante)« Un autre objet de la présente invention est de four« 5 nir un acier réfractaire pour les utilisations à haute température ayant une résistance mécanique et une résistance thermique plus élevées que celles des aciers de la norme japonaise JIS, nouvel acier qui est basé sur une combinaison des effets des additions de Ti, de Nb + Ta et de Mo ou en outre de B, 10 D'autres caractéristiques de la présente invention apparaî- tront à la lecture de la description ci-après faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: Fig. 1 est un graphique montrant la résistance à la rupture par fluage en fonction des teneurs molybdène, dans les cas où les 15 aciers sont soumis à un service à température éLevée) Fig. 2 est un graphique montrant la résistance à la rupture par fluage en fonction des teneurs en molybdène et bore ajoutées dans les cas où les aciers sont soumis à un service à température élevée. 20 Conformément à la présente invention, l'acier a la composi tion suivante î 0,03 à 0,30 % en poids de carbone, jusqu'à 1 % en poids de Si, jusqu*à 2 % en poids de Mn, 15,O à 26,O % en poids de Cr, 20 à 22 % en poids de Ni, 0,001 à 0,30 % en poids de Ti, 0,001 à 0,30 % en poids de Nb + Ta, et 0,2 à 5,0 % en poids de Mo, et 25 éventuellement en plus 0,0005 à 0,05 % en poids de B, Comme mentionné ci-dessus, la raison pour laquelle on net en oeuvre des éléments additionnels à savoir Ti et Nb + Ta est que la coexistence des éléments ci-dessus est efficace pour empêcher la coalescence des carbures formés tels que M23^ô et Pour amener les 30 dits carbures à se disperser uniformément, ce qui donne une amélioration de la résistance à température élevée» Par contre l'addition du molybdène vise à rendre l'acier plus résistant par son effet de solution et le bore vise à une dispersion uniforme des carbures de chrome par suite du contrôle de la coalescence de ceux qui existent 35 autour des dits carbures de Ti et de Nb + Ta et également le bore lui-même a une action efficace pour améliorer la résistance mécanique à température élevée» Ainsi la gamme de la composition chimique des principaux éléments tels que mentionnés ci-dessus est déterminée par les rai-40 sons exposées ci-après. 69 07177 3 2003834 La teneur en carbone de l'acier de la présente invention est choisie à une valeur élevée afin d'amener un carbure de chrome à précipiter et à se disperser autour des carbures de Ti et de Nb + Ta, ce qui assure une amélioration de la résistance mécanique à 5 température élevée. Moins de 15 % de chrome provoque une modification dans le mauvais sens de la résistance à 1'oxydation tandis que plus de 21 % de Cr fait apparaître la phase S et rend l'obtention de la phase austénitique difficile par suite de 1*équilibre entre ces éléments. De façon similaire moins de 20 % de Ni rend difficile ÎO l'obtention de la phase austénitique. Il n'est pas économique d* avoir une teneur en Ni supérieure à 22 %» Lorsque les teneurs en Ti et Nb + Ta sont supérieures à 0,30 % respectivement, les carbu-res précipités sont si importants qu'il apparaît après une période prolongée une détérioration de la résistance mécanique à la rupture 15 par fluage. Si lès gammes des dites teneurs en Ti et Nb + Ta sont inférieures respectivement à 0,001 %, la résistance mécanique re-quise .sera difficilement obtenue. Dans le cas où la teneur en Mo est inférieure à O,2 % son effet de mise en solution disparait» Plus de 5,0 % de Mo provoque un durcissement de l'acier et l'apti»» 20 tude à la déformation du dit acier se trouve détériorée. Une teneur en B inférieure à 0,0005 % n'a pas d'effet sur l'acier austénitique et plus de 0,05 % de B provoque une dégradation notable de l'apti»* tude à la déformation à chaud du dit acier» La résistance à la rupture par fluage des aciers ayant la 25 composition chimique ci»» des sus deviendra évidente à la lecture des exemples suivante» Le tableau I donne certains types de compositiens chimiques qui constituent des exemples de la présente invention, TABLEAU I C Si Mn Cr Ni Mo Ti Nb + Ta 30 No. 1 0,15 0,46 1,47 17,86 9,86 0,29 0,09 o,io No. 2 0,16 0,48 1,40 17,86 9 ,80 0,87 0,09 0,11 No. 3 0,17 0,50 1,41 17,45 9,68 1,77 0,09 0,11 No. 4 0,15 0,48 1,36 17,35 9,51 2,44 0,06 0,08 Les quatre types d'acier ci-dessus fabriqués par un procé-35 dé usuel, sont soumis à un traitement thermique de mise en solution après forgeage et ensuite à un essai à la rupture par fluage 3 A à 650°C, 700°C et 750°C pendant 10 heures et ÎO heures respec« ti veinent. Les résultats sont donnés dans le tableau II ci'•après. 69 07177 4 TABLEAU II 2003834 (k-g/mm2 ) 650 °C 700 °C 750 °C 103h 4 lO^h 103h 104h 103h 4 10 h No. 1 19,5 15,0 12,6 9,5 9,2 6,6 5 No. 2 21,O 16,7 13,O 9,4 9,3 6,7 No. 3 22 ,0 16,9 13,8 9,6 9,5 7,1 No. 4 22,3 16,9 14,O 10,0 10,2 8,0 Le tableau III donne la résistance à la rupture par fluage de l'acier de la norme SUS-27 (acier AISI 304) et de l'acier de la 10 norme SUS-32 (acier AISI 316) à titre de comparaison avec les aciers ci-dessus. TABLEAU III (kg/mm2) 600 °C 650 °C 700° C 103h 104h 103h 104h 103h 104h 15 SUS 27 15,1 10,6 10,2 7,3 7,0 4,9 SUS 32 24,5 18,O 16,2 11,5 10,5 7,0 A titre d'exemple de référence, une composition chimique dont la gamme des teneurs en Ti et Nb + Ta rentre dans le cadre de la présente invention est donnée dans le tableau IV et les résul- 20 tats de l'essai à la résistance par fluage à 650°C, 700°C pendant 3 4' » 10 heures et 10 heures respectivement sont donnes dans le tableau V. TABLEAU IV C Si Mn Cr Ni Nb + Ta Ti 25 No, 5 0,12 0,60 1,20 20,28 9,16 0,098 0,02 TABLEAU V 650°C 700°C 30 103h 104h 103h 104h No. 5 17,O 13,O 12,O 9,0 En se référant maintenant à la rupture par fluage dans les 69 07177 5 2003834 tableaux II,III et V, on verra nettement que la résistance à la rupture par fluage de l'acier N° 5 (tableau V) est supérieure à celle des aciers SUS 27 et SUS 32 et que celle de tous les aciers N° 1, 2, 3 et 4 est supérieure à celle de l'acier N° 5, Ce fait 5 montre que l'addition de Mo est efficace pour améliorer la dite résistance mécanique, La figure 1 montre que la dite résistance mécanique est nettement améliorée lorsque la teneur en Mo croît* Toutefois, comme mentionné ci-dessus, il existe une limite supérieure pour la 10 teneur en Mo, c'est-à-dire 5,0 % dans le cas du dit acier» Par comparaison de l'acier de la présente invention (tableau II) avec l'acier SUS 32 (tableau III), on comprendra parfaitement que la résistance mécanique de l'acier conforme à l'invention, à 750°C, est supérieure à celle de l'acier SUS 32 à 700°Co 15 Ainsi, avec la composition de la présente invention, on peut obtenir facilement une amélioration remarquable de la dite résistance mécanique. L'addition de bore à la composition ci-dessus (tableau I) est un objet supplémentaire de la présente invention. Le tableau 20 VI donne la composition chimique de ces aciers. TABLEAU VI C Si Mn Cr Ni Mo Ti Nb + Ta B No.6 o, 17 0,47 1,52 17, 60 9,98 0,31 0,07 O « H O 0,003 25 No.7 o, 16 0,48 1,50 17,60 9,92 0,31 0,07 0,08 0,010 No.8 o, 16 0,49 1,44 17,52 10,27 1,74 0,07 0,11 0,003 No.9 o, 15 0,46 1,48 17,26 9,92 1,76 0,05 0,11 0,010 Les quatre types d'acier ci-dessus fabriqués par un procédé usuel sont soumis à un traitement thermique de mise en solution à 30 HOO°C après forgeage et ensuite à un essai à la rupture par fluage à 650°C, 700°C et 750°C pendant ÎO3 heures et 104 heures respectivement. Les résultats sont donnés dans le tableau VII ci-après. 69 07177 6 2003834 TABLEAU VII 650 °C 700°C 750 °C 103h 4 ÎO h lÔ3h 4 ÎO h 3 10 h 4 ÎO h No. 6 20,4 16,5 12,8 9,8 9,5 6,8 No. 7 21,O 17,3 14,0 10,2 10,0 7,4 No. 8 22,1 17,0 14,O 9,8 9,4 7,0 No. 9 23,2 18,4 15,1 10,6 10,9 8,0 Par comparaison des aciers ci-dessus (Tableau VII) avec les autres aciers de la présente invention (Tableau II), on verra que 10 la résistance des aciers ci«dessus est plus élevée que celle des aciers du tableau II. Ce fait montre parfaitement que l'addition de bore à la composition des aciers du tableau I est efficace pour assurer une amélioration supplémenl&ice de la résistance mécanique. La figure 2 montre la relation selon laquelle la dite résistance 15 est améliorée lorsque la teneur en bore croît. Toutefois, comme mentionné ci**dessus, il existe une limite supérieure pour la teneur en bore, à savoir 0,05 % dans le cas du dit acier. Ainsi, conformément à la présente invention, la réfractai» rité qui est insuffisante jusqu'à l'heure actuelle peut être reraar» 20 quablement améliorée avec un prix de revient faible. L'acier réfrao-taire austénitique de la présente invention peut être largement utilisé dans de nombreux domaines industriels. 69 07177 7 2003834 REVENDICATIONS 1»» Un acier réfractaire austénitique constitué essentiel» leraent par 0,03 à 0,30 % en poids de C, jusqu'à 1,00 % en poids de Si, jusqu'à 2,00 % en poids de Mn, 15,0 à 21,O % en poids de Cr, 5 20,0 à 22,O % en poids de Ni, 0,001 à 0,30 % en poids de Ti, 0,001 à 0,30 % en poids de Nb + Ta, 0,2 à 5,Q % en poids de Mo, le reste étant du fer et les impuretés inévitables. 2,- Un acier réfractaire austénitique selon la revendica»» tion 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre 0,0005 à 0,05 % 10 en poids de B.