Brevet FR2004445A1 — publié le 19691121

La présente invention concerne une composition pour amélio-rer la résistance à la chaleur des aciers inoxydables austénitiques du système Cr-Ni destinés à être utilisés à des températures élevées. 5 II est bien connu qu'une résistance mécanique et une résis tance à l'oxydation très élevées aux hautes températures sont nécessaires pour les aciers destinés à certaines utilisations telles que la fabrication des chaudières. Lorsque la chaudière est de grande dimension et à ultra-haute pression, elle nécessite, de la 10 part des aciers utilisés, une résistance mécanique élevée.. A l'heure actuelle, parmi les aciers inoxydables austéni-tiques à 18 % de Cr et 8 % de Ni, on utilise généralement pour les températures élevées et les hautes pressions, les aciers normalisés de 1*industrie japonaise correspondant aux normes SUS 29 et 15 SUS 43 et similaires (correspondant aux normes AISI 321, AISI 347 et similaires). D'une manière générale, les dits aciers inoxydables austéni tiques comportent des additions telles que des additions de Ti, Nb et similaires en vue d'obtenir une résistance mécanique à tem-20 pérature élevée, toutefois l'importance optimale de l'addition permettant d'obtenir une résistance très élevée à haute température n'est pas encore clairement définie. Dans le cas de l'acier SUS 29 ci-dessu*, on préconise une addition de Ti comprise entre C % x 10 à 0,60 % et, de la même manière, on préconise dans l'acier SUS 43 25 une addition de Nb comprise entre C % x ÎO et 1,00 %, La raison de l'addition telle que définie ci-dessus, est de réduire la corrosion intercristalline en stabilisant les précipité» de carbure de TiC ou NbC â l'intérieur du grain tandis que le carbure précipitant sous la forme Cr^C^ à la limite du grain provoque une cor-30 rosion intercristalline lors de la mise en contact avec un acide k température élevée. Il est cependant indéniable que la résistance à la rupture de ces aciers qui contiennent les quantités ci-dessus précisées de Ti ou de Nb, devient, après une durée prolongée telle que ÎO5 heu-35 res, plus mauvaise que celle de l'acier SUS 27 (acier AISI 304) qui ne contient pas d'éléments d'amélioration de la résistance tels que Ti, Nb ou similaire. En conséquence, un acier réfractaire ayant une excellente résistance à la rupture après une longue durée de service et qui soit d'un prix réduit est activement recher-40 ché. 69 08339 2 2004445 A la suite de recherches, il est apparu-qu'en accroissant les teneurs en Ti, Nb ou similaire, on n'obtient pas toujours une amélioration de la résistance mécanique à haute température et qu* il existe une gamme préférentielle pour obtenir les résultats re« 5 cherchés. Si la gamme ci-dessus est déterminée en fonction des autres éléments, plus spécialement de la teneur en carbone, on peut obtenir de façon stable une résistance mécanique élevée. En conséquence la présente invention consiste à fixer le rapport atomique entre C et Ti + (Nb+Ta) dans une gamme comprise entre 1 ÎO et 8 et de préférence de 3 à 5, La présente invention a pour objet un acier réfractaire à bas prix qui est dérivé du système usuel Cr«-Ni - Ti-Nb destiné à être utilisé à des températures élevées. Un autre objet de la présente invention est de fournir un 15 acier réfractaire présentant une résistance à la rupture très élevée dans les utilisations à températures élevées, cette carac-téristique résultant du fait que les teneurs en Ti et Nb ajoutées à l'acier sont déterminées en fonction de la teneur en C, D'autres caractéristiques de la présente invention apparaî-20 tront à la lecture de la description faite ci-après avec référence au dessin ci«annexé qui représente un graphique donnant la résis-tance à la rupture par fluage en fonction du rapport atomique entre C et Ti + (Nb + Ta) dans les cas où les aciers sont soumis à des utilisations à températures élevées. 25 Un acier réfractairetconforme à la présente invention, est caractérisé en ce que l'on contrôle le rapport atomique entre C et Ti + (Nb + Ta) dans l'acier. Le rapport ci-dessus est compris entre 1 et 8, de préférence entre 3 et 8, et la composition chimi-que correspondante est la suivante, savoir: 0,03 à 0,30 % en poids 30 de C, jusqu'à 1,0 % en poids de Si, jusqu'à 2,0 % en poids de Mh, 7,0 % à 22,O % en poids de Ni, 0,0 à 1,0 % en poids de Ti, 0,0 à 1,5 % en poids de (Nb + Ta), le reste étant du fer et les impuretés inévitables. Comme mentionné ci-dessus, la raison pour laquelle on fait 35 coexister les éléments d'addition, à savoir Ti et (Nb + Ta) est que la coexistance des éléments ci-dessus est efficace pour arrêter la coalescence des carbures formés tels que ^23^6 P°ur Pro~ voquer la dispersion uniforme des dits carbures, ce qui donne une amélioration de la résistance mécanique à haute température. Il 40 s'est avéré que l'effet de cette coexistence atteint un degré très 69 08339 3 t 2004445 élevé en fonction de la teneur en C, c'est-à-dire du rapport atomique ci-dessus. Même si seul Ti ou seul(Nb + Ta)est présent dans l1 acier, rien n'est changé pour autant que la dite teneur en Ti ou (Nb + Ta) est, par rapport à la teneur en C, dans le rapport ato-5 inique ci-dessus. Il s'est cependant avéré qu'une teneur en Ti supérieure à 1 % ne donne aucune amélioration du point de vue économique et qualitatif et également qu'une teneur en (Nb + Ta) supérieure à 1,5 % ne conduit pas à une amélioration de la dite résistance mécanique. En conséquence, les teneurs fixées qui sont des teneurs 10 en Ti inférieures à 1,0 % et/ou en(Nb + Ta)inférieure à 1,5 %, doivent être choisies, conformément à l'invention de manière que ces teneurs soient dans la gamme du rapport atomique ci-dessus. De plus la gamme de la composition chimique en les principaux éléments telle que mentionnée ci-dessus est déterminée par 15 les raisons suivantes. Une teneur en C de 0,03 à 0,30 % constitue la gamme la plus convenable parce qu'une teneur inférieure au pourcentage limite inférieur, n'a aucune influence sur 1'amélioration de la résistance et une teneur supérieure au pourcentage limite supérieur provoque une détérioration de la dite résistance 20 À la rupture après une longue période d'utilisation du fait que le carbone en solution excédentaire précipite sous forme ds Cr^C^ et de plus conduit k la coalescence du dit carburea Une teneur en Cr inférieure à 15 % provoque une modification dans bb cens défavorable de la résistance à l'oxydation, tandis qu'un© teneur supérieure 25 à 26 % de Cr provoque l'apparition de la phase S @t £©sad difficile l'obtention d'une phase austénitique en raison ds 18équilibre entre ces éléments. De façon similaire, il est difficile d®obtenir une phase austéni tique avec moins de 7,0 % de Ni, Il est onéreux d'élever la teneur en Ni à plus de 22,O %. 30 La résistance à la rupture par fluage des aciers, ayant la composition chimique ci-dessus,apparaîtra claixeraasxt d'après les exemples suivants. Le tableau I donne différentes nuances de compositions chimiques adoptées comme exemples de la présente invention. 69 08339 TABLEAU I 2004445 (en poids en %) Si Mn Cr Ni Ti+Nb+Ta Ti Nb+Ta rapport austéni- Note 1 0,07 O, 54 1,52 17,47 12,16 0,44 «9 0,63 SUS-29 2 0,05 0,63 1,67 17,08 12, 50 vm 0,78 0,50 SUS«»43 3 0,14 0,56 1,44 15,75 11,45 m 1,10 0,90 Acier comparatsï 4 0,03 0,70 1,51 17,83 9,57 0,10 0,18 0,62 H 5 0,12 0,72 1,14 20,37 9,27 9,03 0,02 11,90 II 10 6 O, 13 0,53 1,51 15,94 10,62 o O A O •• 5,80 Acier de 1 * 7 O, 14 0,58 1,49 15,59 11,56 m 0,54 3,20 invention 8 O, 13 0,63 1,49 16, Ol 11,50 M 0,76 1,32 ii 9 0,16 0,58 1,47 18,29 9,86 0,09 0,13 4,06 n 10 0,13 0,58 1,47 18,47 9,98 0,09 0,29 2,15 ii 11 0,16 0,50 1,45 18, 20 9,86 0,08 0,30 2,72 M 12 0,12 0,68 1,20 20,28 9,16 0,02 0,098 6,80 n Les résistances à la rupture des aciers ci-dessus sont 20 données dams le tableau II» TABLEAU II 600°C 25 30 35 (kg/mm ) 650°C 700°C 104h 105h 104h 105h 104h 105h 1 19 sO 15,0 !Os8 7,5 6,5 4,0 2 19, O 13,O 12,5 8sO 7,5 4sO 3 18,5 14,O 12 $2 9,4 7,0 5,2 4 17,5 13,5 11,5 8,4 7,3 5,3 5 19,5 14,7 12 9,0 7 -A » 5,5 6 20,5 15,7 14,O 11,0 9,3 6,5 7 21,5 16,8 15,5 12,5 10,0 7,8 8 18,5 13,7 12g5 9r5 7g8 6eO 9 21,5 16,8 15s5 12,3 10,6 8,0 lO 20,0 15,5 13,0 10,0 9,4 ,7 ,2 11 21,0 16,O 14,0 11,0 9,6 7 s6 12 20,3 15,5 12,6 9,5 8,2 6,0 40 Se référant maintenant aux tableaux ci«dessus, il est év: dent que la résistance à la rupture du groupe des aciers 1 à 5 69 08339 5 2004445 diffère de celle du groupe des aciers 6 à 12, c'est-à-dire que la résistance des premiers au cours d'un essai à 700°C pendant 1CT* 2 2 heures respectivement varie entre 4kg/mm et 5a5kg/iaia alors que 2 2 celle des seconds est comprise entre 6,Okg/sara et 8,Okg/mm • Cette 5 différence résulte naturellement de la différence du rapport atomique qui est compris entre 0,50 et 0,90 et de 11,9 pour ceux du premier groupe et entre 1,32 et 6,80 pour ceux du second groupe. On comprendra d'après cette comparaison qu'un rapport atomique compris entre 1 et 8 plus spécialement entre 3 et 5 est celui qui con« 10 vient le mieux en vue d'améliorer la résistance à la chaleur. Il est naturel que la résistance à la chaleur des aciers SUS 29 ou SUS 43 qui contiennent du Ti ou du Nb soit très basse» La figure représente les courbes de la résistance à la rupture (portée en ordonnée) en fonction de différentes valeurs du 15 rapport atomique entre C et Ti + (Nb+Ta) (portées en abscisse) à certaines températures élevées* Il résulte de cette courbe que l'amélioration de la résistance obtenue par le carbone se trouve fortement réduite dans un acier présentant un rapport atomique inférieur à 1 parce que la 20 totalité du carbone est fixée sous forme de carbures de titane et de niobiuM. De façon similaire la réduction remarquable de la dite résistance dans un acier dont le dit rapport atomique est supérieur à 8, est provoquée par une trop grande quantité de carbone en solution qui est amenée à précipiter sous forme de Cr23C6 avec P*us 25 un phénomène de coalescence* D'après le tableau II et la figure, on constate que la dite résistance est maximale dans le cas d'un acier ayant un rapport atomique compris entre 3 et 5. En conséquence, la présente invention consiste à choisir la gamme du rapport atomique qui exerce une influence primordiale 30 sur la résistance à la chaleur de l'acier» Conformément à la pré» sente invention, la résistance à la chaleur qui était insuffisante jusqu'à l'heure actuelle peut être remarquablement améliorée avec une dépense réduite. L'acier réfractaire austénitique de la présente invention peut être utilisé largement dans de nombreux do-35 maines industriels, en particulier pour la fabrication des tubes pour l'industrie des chaudières» 69 08339 6 2004445 S-&-¥-Ê-ÎL2_ï_Ç_Ajr„î_9_N_s 1.- Un acier réfractaire austénitique caractérisé en ce qu* il est constitué essentiellement par 0,Q3 à 0,30% en poids de C, jusqu'à 1,0% en poids de Si, jusqu'à 2,0% en poids de Mn, 15,0 à 26,0% en poids de Cr, 7,0 à 22,0% en poids de Ni, 0,0 à ltO% en 5 poids de Ti, 0,0 à 1,5% en poids de(Nb+Ta^ le reste étant du fer et des impuretés inévitables, la gamme du rapport atomique entre C et Ti + (Nb+Ta) étant maintenue entre 1 et 8* 2.- Un acier réfractaire austénitique selon la revendica» tion 1 caractérisé en ce que le rapport atomique entre C et Ti + ÎO (Nb+Ta) est compris entre 3 et 5. 3.- Un acier réfractaire austénitique caractérisé en ce qu* il est constitué essentiellement par 0,03 à 0,30% en poids de C, jusqu'à 1,0% en poids de Si, jusqu'à 2,0% en poids de M?, 15,OS à 26,0% en poids de Cr, 7,0 à 22,0% en poids de Ni, jusqu'à 1,0% ea 15 poids de Ti, le reste étant du fer et des impuretés inévitables, la gamme du rapport atomique entre C et Ti étant maintenue entre 1 et 8. 4«~ Un acier réfractaire austénitique selon la revendication 3 caractérisé en ce que le rapport atomique entre C et Ti est coa- 20 pris entre 3 et 5. 5,- Un acier réfractaire austénitique caractérisé en ce qu» il est constitué essentiellement par 0,03 à 0,30% en poids de C, jusqu'à 1,0% en poids de Si, jusqu'à 2,0% en poids de Mn, 15,OX à 26,0% en poids de Cr, 7,0 à 22,0% en poids de Ni et jusqu'à 1,5% 25 en poids de(Nb+Ta)le reste étant du fer et les impuretés inévitables, la gamme du rapport atomique entre C et(Nb+Ta)étant mainte» nue entre 1 et 8. 6.» Un acier réfractaire austénitique selon la revendica» tion 5 caractérisé en ce que le rapport atomique entre C et(Nb+Ta) 30 est compris entre 3 et 5.