Brevet FR2027095A1 — publié le 19700925

i 2027095 La présente invention se rapporte à une composition améliorant la résistance à la chaleur de l'acier austénitique et concerne plus particulièrement un acier inoxydable austénitique du type Cr-Ni-Nb-Zr pour des applications à haute température. 5 On sait que des aciers ayant une plus grande résistance mécanique et une meilleure résistance à l'oxydation sous des températures élevées sont nécessaires dans les applications telles que les tubulures pour chaudières, les installations chimiques et les centrales atomiques. C'est ainsi, par exemple, que plus les dimensions d'une chaudière augmentent et plus la pression de service 10 est critique, plus grande doit être la résistance des aciers utilisés. A l'heure actuelle, on utilise parmi les aciers inoxydables austénitiques 18 Cr-8Ni, les aciers suivant les normes japonaises JIS SUS-29 et SUS-43 (normes AISI 321 et 347) pour les applications à haute température et à haute pression. Dans le cas ci-dessus, la particularité de l'acier SÏÏS-29 (acier AISI-321) 15 réside en ce qu'il contient en plus du carbone aussi du titane, tandis que l'acier SUS-43 (acier AISI-347) contient de la même manière du niobium. Ces aciers conservent leur résistance à des températures dépassant 600°C. Toutefois, de nombreux essais ont mis en évidence que la résistance des aciers ci-dessus est inférieure à celle de l'acier SUS-27 (acier AISI-304) ne contenant 20 ni titane, ni niobium. Autrement dit, on a découvert que la résistance de rupture par fluage des aciers SUS-29 et 43 décroît rapidement lorsque la température de service devient élevée, le temps d'utilisation devenant plus court. C'est ainsi, par exemple, que cette résistance de l'acier SUS-27 à 700°C et après 10^ heures 2 2 25 est de 4,3 kg/mm , alors qu'elle n'est que de 4 kg/mm pour les aciers SUS-29 et 43. On présume que cette diminution de résistance est due à une coalescence et à une précipitation du titane et du niobium à la frontière des grains après un service prolongé à haute température. On voit donc que l'industrie ne dispose pas d'un acier résistant à la cha-30 leur qui soit à la fois peu coûteux et qui en même temps ait une grande résistance. En fait, un besoin pressant se fait sentir actuellement d'un acier économique résistant à la chaleur. L'invention a été développée pour satisfaire à ce besoin. L'une des particularités de l'invention réside en ce que l'on ajoute du niobium et du zirco-35 nium dans une proportion dans laquelle le rapport atomique niobium + zirconium/ carbone est compris entre 0,05 et 1. Une autre particularité de l'invention réside aussi en ce que le niobium, le zirconium et le titane sont ajoutés dans une proportion dans laquelle le rapport atomique Nb + Zr + Ti/C est entre 0,05 et 1. 40 L'un des buts de l'invention est de fournir un acier économique résistant 69 44782 2 2027095 à la chaleur ayant une plus grande résistance mécanique et une meilleure résistance à la chaleur aux températures de service élevées que les aciers inoxydables ordinaires du type JIS, par exemple, les aciers SUS-29 (AISI-321) ou SUS-43 (AISI-347). 5 Un autre but de l'invention est d'apporter un acier résistant à la cha leur ayant une plus grande résistance mécanique et une meilleure résistance à la chaleur aux températures de -service élevées que les aciers inoxydables ordinaires, en se basant sur l'effet combiné de Ti et Nb ou Ti, Nb et Zr. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description 10 qui va suivre, en référence à la figure unique du dessin annexé, qui est un diagramme indiquant la résistance de rupture par fluage des aciers selon l'invention en fonction du rapport atomique de Nb + Zr + Ti/C. L'acier de l'invention a la composition suivante : 0,03 à 0,30% en poids de G ; jusqu'à 1% en poids de Si ; 15 jusqu'à 2% en poids de Mn ; 15 à 26% en poids de Cr ; 7 à 22% en poids de Ni ; du Nb, Zr et Ti dans un rapport atomique compris entre 0,05 et 1 ; et les inévitables impuretés, le reste étant du Fe. Comme il a été mentionné ci-dessus, la raison pour laquelle on fait coe-20 xister les éléments additionnels mentionnés, qui sont le niobium (contenant du tantale), le zirconium et le titane, réside en ce que la coexistence de ces éléments arrête la coalescence des carbures formés et provoque une dispersion uniforme de ces carbures, ce dont résulte une meilleure résistance aux températures élevées. Toutefois, de nombreuses expériences montrent clairement qu'il 25 ne suffit pas simplement d'ajouter du niobium, du zirconium et du titane pour améliorer cette résistance. Plus précisément, ces éléments doivent être ajoutés de façon à maintenir constant un rapport atomique prédéterminé. Ceci sera expliqué plus en détail par les exemples qui suivent. La composition chimique des aciers essayés est la suivante : 30 „ TABLEAU 1 Composition chimique des aciers essayés (% en poids) 35 40 Acier C Si Mn Cr Ni Nb Zr Ti Rapport atomique Nb+Zr+Ti/C A 0,17 0,54 1,58 18,32 10,15 - - - - Bl 0,16 0,55 1,57 18,09 10,10 0,090 0,066 - 0,12 B2 0,15 0,57 1,56 17,89^ 9,92 0,191 0,238 - 0,38 B3 0,16 0,59 1,51 17,95 9,98 0,655 0,606 - 1,03 Cl 0,16 0,56 1,60 18,04 10,01 0,097 0,027 0,047 0,17 C2 0,17 0,55 1,55 17,81 9,92 0,308 0,114 0,089 0,45 C3 0,16 0,55 1,54 18,25 9,83 0,601 0,202 0,181 0,94 69 44782 3 2027095 Les résultats des essais de rupture par fluage concernant les aciers ci- dessus sont indiqués dans le tableau ci-après, la résistance de rupture au 4 fluage à 650°C après 10 heures étant représentée sur le dessin annexé. TABLEAU 2 2 5 Résistance de rupture au fluage des aciers essayés (kg/mm ) Acier 650 °C 700 °C 103 h. 4 10* h. 103 h. 104 h. A 15,0 11,2 9,7 7,1 Bl 18,5 14,5 11,4 8,6 B2 19,0 14,7 11,7 9,0 B3 16,8 12,7 10,9 8,0 Cl 18,0 14,0 12,4 9,2. C2 18,0 14,1 12,2 9,2 C3 17,4 13,2 10,5 8,2 A désigne un acier inoxydable ordinaire ; Bl à B3 sont des aciers Nb + Zr ; Cl à C3 sont des aciers Nb + Zr + Ti. 20 En. se référant maintenant aux tableaux 1 et 2 et au dessin, on voit que l'on obtient une plus grande résistance quand le rapport atomique est compris entre 0,05 et 1 et notamment, entre environ 0,2 et 0,5, La teneur en carbone des aciers de l'invention, qui se situe entre 0,03 et 0,30% est choisie de façon que du carbure de chrome puisse précipiter et se 25 disperser autour des carbures de niobium, de zirconium et de titane, ce dont résulte une amélioration de la résistance à haute température. Au-dessous de 15% de chrome, la résistance à l'oxydation est moins bonne, tandis qu'à plus de 26%, l'acier devient trop dur pour obtenir une phase austénitique stable. Une proportion de 5 à 22% de nickel est aussi essentielle avec la teneur en 30 chrome ci-dessus. La teneur en silicium et en manganèse est suffisante pour être dans les limites habituelles de l'acier inoxydable. La raison pour laquelle on fait coexister le niobium et le zirconium dans le système Cr-Ni est que le carbure de chrome arrête sa précipitation et accélère sa dispersion, ce qui est impossible à obtenir uniquement avec une addition de niobium. De nombreuses 35 expériences montrent que l'effet ci-dessus peut être obtenu en remplaçant une partie du zirconium par du titane. 4 69 44782 2027095 REVENDICATIONS 1. Acier austénitique résistant à la chaleur ayant essentiellement la composition suivante : 5 C : 0,03 à 0,30% Si : jusqu'à 1% Mn : jusqu'à 2% Cr : 15 à 26% Ni : 7 à 22% Nb : (contenant Ta) et Zr en quantité telle que le rapport 10 atomique Nb + Zr'C est compris entre 0,05 et 1, l'acier renfermant en oulre des impuretés inévitables et du fer. 2. Acier austénitique résistant à la chaleur qui a essentiellement la composition suivante : C : 0,03 à 0,30% 15 Si : jusqu'à 1% 20 port atomique Nb + Zr +Ti/C est compris entre 0,05 et 1, l'acier renfermant en outre des impuretés inévitables et du fer. Mn : jusqu'à 2% Cr : 15 à 26% Ni : 7 à 22% Nb : (contenant Ta) Zr et Ti en quantité telle que le rap-