Brevet FR2027087A1 — publié le 19700925

i 2027087 La présente invention concerne une composition améliorant la résistance à la chaleur de l'acier austénitique réfractaire et plus particulièrement de l'acier austénitique inoxydable du système Cr-Ni-Ti-Nb destiné à être utilisé aux 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 un acier destiné à certaines applications comme les tubes de chaudières, les installations chimiques et les centrales atomiques. C'est ainsi par exemple que lorsque les dimen-10 sions augmentent dans les chaudières et que la pression y atteint "des valeurs dépassant la valeur critique, il a fallu faire appel pour ces . applications" à des aciers à résistance plus élevée. Actuellement, parmi les aciers austénitiques inoxydables à 18 % de chrome et 8 % de nickel, on utilise généralement ceux qui 15 répondent aux normes japonaises SUS-29, SUS-43 et analogues (norme américaine AISI-321 et normes analogues) pour les températures élevées et les hautes pressions. Dans le cas précité, la caractéristique de l'acier correspondant à la norme SUS-29 (norme américaine AISI-321) réside en ce qu'on a ajouté du titane en fonction 20 de la teneur en carbone, et que dans l'acier SUS-43 (norme américaine AIS1-347), on a ajouté de la même manière du niobium. Ces aciers visent à résister à des températures dépassant 600°C. Toutefois, selon de nombreuses expériences, il se confirme de façon évidente que cette résistance mécanique des aciers précités, à 25 savoir ceux des normes japonaises SUS-29 et SUS-43, est inférieure à celle de l'acier correspondant à la norme japonaise SUS-27 (norme américaine AISI-304) ne contenant pas de titane, ni de niobium. Autrement dit, on a trouvé que la résistance à la rupture par flua-ge de l'acier SUS-29 et de l'acier SUS-43 tombe rapidement lorsque 30 la température de fonctionnement s'élève et que la durée d'utilisation augmente. C'est ainsi par exemple que cette résistance de ç 5 l'acier SUS-27 à 700°C pendant ÎO heures est de 4,3 kg/mm , tandis o que les deux aciers SUS-29 et 43 atteignent 4 kg/mm dans les mê- v mes conditions. On suppose que cette détérioration est due à ce 35 que les carbures de titane ou de niobium donnent lieu à coalescence et précipitent à la limite des grains pendant l'utilisation à température plus élevée et pendant un temps plus long. Ainsi, il n'existe pas encore d'acier réfractaire qui soit peu coûteux et d'une résistance mécanique relativement élevée pour 40 les applications industrielles. Il est un fait què l'on cherche à 69 41103 2 2027087 tnettre au point des aciers réfractaires plus économiques. La présente invention a été réalisée en vue de répondre à ces conditions. La caractéristique de l'invention réside en 1'addition à la fois de titane, dans une proportion ne dépassant pas 5 1 %, et de niobium (contenant du tantale) dans une proportion ne dépassant pas 1,5 % dans une gamme telle que le rapport atomique Ti/(Ti + Nb) ait une valeur comprise entre 0,15 et 0,85. L'un des buts de la présente invention est de parvenir à un acier réfractaire qui soit économique, tout en présentant une 10 résistance mécanique, et une résistance à la chaleur dans les applications à température élevée, qui soient supérieures à celles des aciers inoxydables de la norme japonaise JIS par exemple 1' acier SUS-29 (norme américaine AISI-321 ou similaire) ou l'acier SUS-43 (norme américaine AISI-347 ou similaire). 15 Un autre but de la présente invention est de parvenir à un acier réfractaire présentant, dans les applications à température élevée, une résistance mécanique et une aptitude à la résistance aux températures élevées qui soient supérieures à celles des aciers inoxydables ordinaires, cette augmentation de la résistance 20 étant due à une combinaison des effets du titane et du niobium. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaît» tront à la lecture de la description de divers exemples faite ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels x Fig. 1 représente un diagramme de la résistance à la ruptu-25 re par fluaçje des aciers selon la présente inventionj Fig. 2 est un diagramme représentant la résistance à la rupture par fluage des aciers selon la présente invention en fonction du rapport atomique Ti/(Ti + Nb)» L'acier selon la présente invention a la composition sui- 30 vante: 0,03 à 0,30 %, en poids, de carbone; jusqu'à 2,00 %, en poids,de manganèse; 7,0 à 22,0 %, en poids, de nickel; jusqu'à 1,0 %, en poids, de silicium; 35 15,0 à 26,O %, en poids, de chrome; pas plus de 1,0 %, en poids, de titane; pas plus de 1,5 %, en poids,de niobium et tantale; les impuretés inévitables; le reste étant du fer, 40 et le rapport atomique de Ti/(Ti + Nb) ayant une valeur comprise 69 41103 3 2027087 entre 0,15 et 0,85, Ainsi que cela a été dit ci-dessus, la raison pour laquelle on fait coexister les éléments additionnels précités, à savoir le titane et l'ensemble niobium et tantale, réside dans le fait que la. 5 coexistence de ces éléments a pour effet d'arrêter la coalescence. des carbures formés et de provoquer leur dispersion uniforme, ce qui a pour effet d'améliorer la résistance à haute température. Toutefois, de nombreuses expériences ont fait ressortir clairement que le procédé qui consiste à ajouter simplement du titane et du 10 niobium à des aciers réfrac tai'res ordinaires au chrome «rnickel, par 'exemple à 1*acier selon la norme japonaise SUS-27, est très insuf~ fisant du point de vue- de 1*amélioration de cette résistance. Ces détails vont être exposés dans les exemples suivants. La composition chimique des aciers essayés est la suivante: 15 SI Mn Ni Cr Ti Nb Rapport atomique VTi+Nb Rapport atomi- que Ti/Ti+Nb Observa» tions N?I Of 16 0,58 1,47 9,86 18,29 0,09 0,13 4,1 0,57 Acier se» Ion l'invention 20 N*2 0,13 0,39 1,35 10,07 17,75 0,04 0,14 4,6 0,35 Acier selon l'invention N 3 0,15 0,43 1,42 10,16 18,19 0,02 0,23 4,3 0,14 Acier de comparaison 25 N#4 0,13 0,43 1,45 10,10 17,66 0,01 0,23 4,0 0,08 Acier de comparaison N 5 0,14 0,44 1,42 10,04 18,87 0,09 0,07 4,1 0,71 Acier selon l'invention N°6 0,15 0,46 1,38 10,04 18,84 0,10 0,03 5,2 0,83 Acier selon l'invention 30 Les résultats de l'essai de rupture par fluage concernant les aciers ci-dessus sont reproduits dans la figure 1 dans laquelle la durée avant rupture en heures est portée en abscisse et la contrainte en kg/mm est portée en ordonnée* La figure 2 représente la résistance à la rupture par fluage portée en ordonnée sous 69 41103 4 2027087 3 — forme de la durée en lO heures avant rupture en fonction du rap- port atomique de Ti/(Ti + Nb) porté en abscisse.!-à. 700*C» En ce qui concerne maintenant la figure 2, la résistance la plus élevée s'obtient pour la valeur d'environ 0,50 pour le rap» 5 port atomique» Autrement dit, la teneur de l'addition de tLtan* «t de niobiua pour laquelle la gamme du rapport atomique de Ti/(Ti+NbJ est de 0,15 à 0,85 est en mesure de fournir pleinement l'effet de synergie» Lorsque le rapport atomique & une valeur inférieurs 4 0,15 % ou supérieure à 0,85 %9 l'effet est faible» ÎO On choisit la valeur de la teneur en carbone, qui est de 0,03 â. 0,30 %, pour l'acier selon la présente invention, de façon qu'elle provoque la précipitation du carbure de chrome et sa dis» persion autour des carbures de titane et de niobium et tantale, ce qui aboutit à améliorer la résistance à haute température* Cm 15 proportion inférieure à 15,0 % de chrome produit une modification dans le sens d'une moindre ,aptitude à la résistance k l'oxydation, tandis qu'une proportion supérieure à 36,0 % a pour effet qu'il devient difficile d'obtenir une phase austénitique stabilisée» De même une proportion de nickel de 7,0 à 22,0 % est essentielle çft 20 combinaison avec la teneur en chrome ci-dessus indiquée» Les te* neurs en silicium et en manganèse dans la gamme ordinaire pour na acier inoxydable sont suffisantes» COPY 69 41103 5 2027007 REVENDICATI ON S 1«- Un acier réfractaire austénitique ayant essentiellement la composition suivantei Carbone 0,03 à 0,30 % 5 Silicium jusqu,à 1,0 % Manganèse jusqu*à 2,0 % Chrome 15,0 à 26,0 % Nickel 7,0 à 22fO % Titane pas"plus de 1,0 % IO Niobium (contenant du tantale) pas plus de 1,5 % Impuretés inévitables le reste étant du fer et le rapport atoaabque de Ti/(Ti +. Nb) dans, cet acier ayant 15 une valeur comprise entre 0,15 et 0,85 95. COPY â