Brevet FR2134519A1 — publié le 19721208

72.14723 2134519 La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique et son procédé de mise en oeuvre pour le soudage. Les aciers inoxydables austénitiques possèdent un ensemble de propriétés très avantageuses qui permet de les utiliser pour des applica-5 tions industrielles très variées, Le type le plus courant d'acier inoxydable austénitique est l'acier dit 18-8 qui contient environ 18% de. chrome et 8% de nickel. Un autre type d'acier inoxydable austénitique est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.171.738, Il contient du molybdène, du chrome, du nickel, du manganèse et de l'azote. Plus précisément, il contient 10 jusqu'à 0,17o de carbone, 2 à 3"L de molybdène, jusqu'à 0.5% de silicium, 7,5 à 9% de manganèse, 17,5 à 22% de chrome, 5 à TL de nickel, 0,25 à 0,507» d'azote, le reste étant du fer et des impuretés accidentelles. L'azote est incorporé à l'alliage pour augmenter sa résistance mécanique et la stabilité de son austénite. 15 L'al.1 iage décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.171.738 précité a une bonne résistance à la corrosion et des caractéristiques mécaniques satisfaisantes mais ne convient comme matériau de soudage que pour de fortes sections. On a observé que sa teneur en azote est excessive et telle qu'elle donne lieu à des soudures poreuses, défectueuses. Plus 20 précisément, la teneur en azote de cet acier est très voisine de son coefficient de solubilité dans celui-ci lorsqu'il est en fusion. Un procédé évident d'amélioration des caractéristiques de soudage de l'alliage breveté ci-dessus consisterait à abaisser sa teneur en azote. Malheureusement, cela aurait une influence fâcheuse sur la résistance 25 mécanique de cet alliage ainsi que sur la stabilité de son austénite. Comme indiqué ci-dessus, l'azote augmente la résistance mécanique de l'alliage et favorise considérablement son austénitisation. L'invention concerne un alliage qui est supérieur à certains points de vue aux alliages décrits dans le brevet précité. Il a de 30 bonnes caractéristiques de soudage ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion et des caractéristiques mécaniques satisfaisantes. De plus, il est nettement différent de ceux décrits dans la technique antérieure, par exemple dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nD 3.235.378 et 3.311.511. L'alliage conserve une teneur relativement élevée en azote grâce à un équilibrage soigné 35 de sa composition chimique et convient particulièrement comme métal d'apport, par exemple comme fil à souder pour la soudure à l'arc dans une atmosphère gazeuse protégeant contre l'oxydation. 72 14723 2 2134519 L'invention a pour objet : un métal d'apport, qui est un acier inoxydable austénitique à employer dans le soudage à l'arc avec protection contre l'oxydation; un acier inoxydable austénitique soudable; un procédé de réalisation de soudures saines quasiment non poreuses par soudage à l'arc 5 en atmosphère gazeuse protégeant contre l'oxydation. L'alliage selon l'invention est un acier inoxydable austénitique soudable qui convient particulièrement pour l'emploi comme métal d'apport dans le soudage à l'arc avec protection contre l'oxydation. Il est constitué essentiellement, en poids, par;jusqu'à 0,1% de carbone, 7,5 à 16% 10 de manganèse, jusqu'à 1% de silicium, 17,5 à 26% de chrome, 5 à 17% de nickel, 0,75 à 4% de molybdène, 0,2 à 0,38% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés accidentelles, par exemple du soufre et du phosphore, et qui est par ailleurs soumis aux limitations ci-après : 1) le rapport pondéral R des éléments favorisant l'austéni-15 tisation aux éléments favorisant la formation de ferrite (ferritisation) défini par l'expression suivante % Ni 4- 30 (%C 4- %N) +0,5 (%Mi) % Cr 4- % Mo + 1, 5 (% Si) est supérieur à 1. 20 2) le rapport manganèse/azote est au moins égal à 42; et 3) la somme des teneurs en chrome, manganèse, nickel et molybdène est au moins égale à 38%. Le chrome, le molybdène et le silicium sont des éléments favorisant la formation de ferrite. On ajoute du chrome pour augmenter la 25 résistance à l'oxydation et à la corrosion, du molybdène pour augmenter la résistance à la corrosion par piqûres et le silicium favorise la fusion de l'alliage; cependant, la teneur en silicium est en général inférieure à 0,6 et, de préférence, à 0,4, étant donné que le silicium peut rendre l'alliage trop fluide et entraver le soudage. Etant donné que le chrome, le molybdène 30 et le silicium sus-mentionnés favorisent la formation de ferrite, leur action, dans ce sens, doit être compensée par l'action favorisant la formation d'austénite du nickel, du manganèse, de l'azote et du carbone, en conformité avec l'expression ci-après : 35 % Ni 4 30 (%C + %N) +0,5 (% Mn) % Cr - % Mo 4- 1, 5 (% Si) 72 14723 3 2134519 étant donné que la ferrite réduit la résistance au choc, la résistance à la corrosion et 1'ouvrabilité des alliages. Outre leur action favorable sur 11austénitisation, le nickel, le manganèse et l'azote améliorent les propriétés des alliages. Par exemple, le nickel augmente la résistance au choc 5 des alliages; plus précisément, il l'augmente par sa seule présence et, en rendant l'alliage austénitique, le manganèse augmente la capacité d'absorption de l'azote par les alliages et l'azote augmente la résistance mécanique des alliages. Le pourcentage de carbone, autre élément favorisant 1'austénitisation, doit être maintenu inférieur à 0,1 et de préférence à 0,05, étant donné 10 qu'il peut provoquer une corrosion intergranulaire dans la zone échauffée par la soudure. Les limites à préférer pour le chrome, le nickel, le molybdène et l'azote sont les suivantes ; 18,5% à 23% de chrome, 10% à 16% de nickel, 2% à 3% de molybdène et 0,22% à 0,33X pour l'azote. La teneur en manganèse est de préférence comprise entre 8,5 et 14%. On a des raisons de penser que 15 le manganèse favorise 1'austénitisation à des teneurs supérieures à 10, 11 ou même 14%, mais cela est douteux au-delà de ces teneurs mais, en tout cas, l'alliage selon l'invention doit être austénitique et son rapport "éléments favorisant 1'austénitisation/éléments favorisant la ferritisation" doit être supérieur à 1, de préférence supérieur à 1,1, en conformité avec l'expression 20 écrite ci-dessus. Le rapport manganèse/azote doit être au moins égal à 42 (de préférence à 45) et la somme des teneurs en chrome, manganèse, nickel et molybdène doit être d'au moins 38%. Le manganèse doit être présent en quantité suffisante pour que l'alliage puisse supporter sa teneur en azote sous forma-25 tion de soudures poreuses et défectueuses, et la somme des teneurs en manganèse, chrome, nickel et molybdène doit être au moins égale à 38%. pour être certain que cet alliage est austénitique, a des résistances mécaniques et à la corrosion suffisantes et peut supporter sa teneur en azote. Le procédé selon l'invention comprend les opérations 30 ci-après : préparation de deux pièces métalliques encastrées et d'un métal d'apport (fil à souder) ayant la composition indiquée ci-dessus, fusion du métal d'apport par soudage à l'arc et dépôt du métal fondu entre les pièces encastrées. La fusion et le dépôt sont mis en oeuvre dans une atmosphère protégeant contre l'oxydation et peuvent être mis en oeuvre en utilisant le 35 métal d'apport comme électrode ou avec une électrode non consommable, par exemple en tungstène. Des exemples types de gaz protégeant contre l'oxydation sont l'argon, l'hélium, l'azote et leur mélange. L'azote présente l'avantage supplémentaire d'augmenter la teneur en azote dans la zone de la soudure. 4 72 14723 2134519 Les exemples ci-après feront mieux comprendre l'invention. Ils concernent le soudage de pièces en acier inoxydable - bien qu'on pense que l'invention est adaptable au soudage de divers métaux, y compris d'autres aciers alliés et au carbone - étant donné que le soudage de l'acier inoxydable 5 constitue probablement l'application la plus importante de l'invention. Plus précisément, ils concernent le soudage de pièces en acier inoxydable contenant, en poids, jusqu'à 0,1% de carbone, 2 à 3% de molybdène, jusqu'à 0,5% de silicium, 7,5 à 9% de manganèse, 17,5 à 22% de chrome, 5 à 1% de nickel, 0,25 à 0,50% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés accidentelles. 10 EXEMPLE 1 On soude des plaques d'acier inoxydable recuites de 1,27 mm d'épaisseur de composition comprise entre les limites indiquées dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.171.738 précité avec plusieurs baguettes rondes 15 différentes de fil à souder de 1,6 mm de diamètre. La composition de ces plaques est la suivante : 0,026% de carbone, 7,507, de manganèse, 0,23% de silicium, 19,70% de chrome, 6,55% de nickel, 2,52% de molybdène, 0,347» d'azote, le reste étant du fer. La composition pondérale des fils à souder est indiquée sur le tableau I ci-dessous, ainsi que leurs rapports 20 pondéraux "manganèse/azote". TABLEAU I Composition (%) %Mn Fil à souder 25 C Mn Si Cr Ni Mo N Fe %N A 0,02 8,25 0,49 19,33 5,92 2,64 0,33 le reste 25,0* B 0,019 15,93 0,28 19,43 5,75 2,55 0,44 " 36,2 C 0,027 11,23 0,40 18,93 10,24 2,56 0,28 " 40,0 30 D 0,025 13,13 0,48 19,62 15,29 2,43 0,20 " 65,7 * Les teneurs en manganèse et en azote ont été déterminées, pour le fil à souder A, par l'analyse d'une poche de coulée, tandis que les teneurs en manganèse et en azote, pour les fils à souder B, C et D, ont été détermi-35 nées par analyse d'un fil à souder. 5 72 14723 2134519 Ces plaques ont été soudées avec métal d'apport en atmosphère protectrice (vaporisation par l'arc) à la vitesse de 30,5 à 43,2 cm/irai, avec un courant de 295 à 305 A dans une atmosphère d'argon contenant 27° d'oxygène. Le métal d'apport a été déposé dans un double chanfrein en ^formant 5 un angle de 60°, avec une saillie de 1,6 mm. Ces soudures ont été étudiées par radiographie. Cette étude comprenait l'établissement de tableaux indiquant le nombre total de pores présents sur une portion de cordon de 152,4 mm de longueur, des observations portant sur le diamètre maximal des pores, l'établissement de tableaux indi-10 quant l'aire totale des pores (cette aire est déterminée en multipliant le 2 nombre total de pores par 7TD /4, relation dans laquelle D est le diamètre moyen des pores) et des observations concernant la présence ou l'absence d'alignements et/ou de chapelets de pores. Les résultats de cette analyse figurent sur le tableau II ci-dessous. 15 TABLEAU II Etude des soudures Soudure obtenue Nombre de Diamètre Aire totale Alignements Chapelets de à partir d'un pores maximal des des pores de pores pores fil à souder pores en mm en cm^ 20 A 164 2,3 7,0 oui oui B 49 1,8 3,35 non oui C 17 1,8 1,32 oui non D 9 1,5 0,832 non non 25 L'étude des résultats du tableau II ci-dessus indique que la qualité des soudures s'améliore en même temps que le rapport manganèse/azote augmente. La soudure à partir du fil à souder D (rapport Mn/N = 65,7) est supérieure à la soudure formée à partir d'un fil à souder C (rapport Mn/N = 40) elle-même supérieure à la soudure formée à partir du fil à souder B (rapport 30 Mn/N = 36,2) qui, elle-même, était supérieure à la soudure formée à partir du fil à souder A (rapport Mii/N = 25). Plus précisément, ces résultats indiquent qu'on obtient une soudure saine à partir du fil à souder D, une soudure juste au-dessous d'une qualité suffisante à partir du fil à souder C et deux soudures défectueuses formées à partir des fils à souder B et A (de composition entre 35 les limites figurant sur le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.171.738 précité). La qualité d'une soudure augmente lorsque le nombre des pores, leurs dimensions et leur surface diminuent et lorsque la formation d'alignements et de chapelets de pores est réduite au minimum. 72 14723 2134519 EXEMPLE 2 Le cordon de soudure obtenu à partir de l'alliage selon l'invention a une résistance sensiblement équivalente à celle de l'alliage décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.171.738 précité, quand on 5 soude avec l'alliage dudit brevet. Par exemple, la limite d'élasticité à 0,2% et la résistance à la traction pour une plaque recuite de 12,7 mm d'épaisseur dont la composition est identique à celle des plaques soudées de l'exemple 1 2 2 sont, respectivement, de 45,5 kg/mm et 71,5 kg/mm , tandis que la limite d'élasticité à 0,2% et la résistance à la traction d'un cordon de soudure 10 formé à partir du fil de soudure D de 1,6 mm de diamètre qui a été employé pour le soudage avec métal d'apport en atmosphère protectrice de plaques de 12,7 mm dudit alliage décrit dans le brevet sont, respectivement, de 45,5 et 73,5 kg/mm2. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées 15 par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de 1'invention. 72 14773 7 2134519 REVEND ICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une soudure saine entre deux pièces métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations ci-après : 1) mise en place de deux pièces métalliques, par exemple en acier inoxydable, et d'un métal d'apport jouant,par exemple,le rôle d'élec- 5 trode, ledit métal d'apport contenant essentiellement, en poids, jusqu'à 0,1% de carbone, 7,5 à 16% de manganèse, jusqu'à 1% de silicium, 17,5 à 26% de chrome, 5 à 17% de nickel, 0,75 à 4% de molybdène, 0,2 à 0,38% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés accidentelles, ledit métal d'apport présentant par ailleurs un rapport pondéral R "éléments favorisant 1'austénitisation/ 10 éléments favorisant la ferritisation1, supérieur à 1, ou de préférence à 1,1, ce rapport étant défini par l'expression ci-après : % Ni + 30 (% C + % N) + 0,5 (% Mi) = R % Cr f % Mo +1,5 (% Si) 15 le rapport pondéral manganèse/azote satisfait à l'inégalité ci-après : % Mi . > 42 % N — 20 et les teneurs en chrome, manganèse, nickel et molybdène satisfont à l'inégalité ci-après : Mn + Cr + Ni - Mo > 38% 25 2) fixation desdites pièces dans une position immuable; 3) fusion dudit métal d'apport par soudage à l'arc dans une atmosphère protégeant contre l'oxydation, constituée par exemple par de l'azote ou de l'argon; et 4) dépôt du métal entre les pièces métalliques encastrées, 30 de manière à former une soudure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal d'apport contient 8,5 à 14% de manganèse et 0,22 à 0,33% d'azote. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal d'apport contient 8,5 à 14% de manganèse, 18,5 à 23% de chrome, 35 10 à 16% de nickel et 2 à 3% de molybdène. 72 14723 2134519 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal d'apport contient jusqu'à 0,05% de carbone, 8, 5 à 14% de manganèse, jusqu'à 0,4%. de silicium, 18,5 à 23% de chrome, 10 à 16%, de nickel, 2 à 3% de molybdène, et 0,22 à 0,33% d'azote. 5 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport pondéral manganèse/azote dudit métal d'apport est au moins égal à 45. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites pièces sont en un métal contenant essentiellement, en poids, jusqu'à 0,1% de carbone, 2 à 3% de molybdène, jusqu'à 0,57» de silicium, 7,5 à 9% de 10 manganèse, 17,5 à 22% de chrome, 5 à 7% de nickel, 0,25 à 0,50% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés accidentelles. 7. Acier inoxydable austénitique, utilisable en particulier comme métal d'apport pour la soudure à l'arc dans une atmosphère gazeuse protégeant contre l'oxydation, caractérisé en ce qu'il contient essentiellement, 15 en poids, jusqu'à 0,1% de carbone, 7,5 à 16%, de manganèse, jusqu'à 0,6% de silicium, 17,5 à 26% de chrome, 5 à 17% de nickel, 0,75 à 4% de molybdène, 0,2 à 0,38% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés accidentelles, le rapport R des éléments favorisant 1'austénitisation aux éléments favorisant la ferritisation dépasse 1, ou de préférence 1,1, ce.rapport étant 20 défini par l'expression ci-après : % Ni + 30 (% C + % N) +0,5 (% Mn) = R % Cr + % Mo + 1,5 (% Si) 25 lesdites teneurs en manganèse et en azote satisfont à l'expression ci-après : % Mi > 42 % N 30 et la somme desdites teneurs en chrome, manganèse , nickel et molybdène satisfait à l'inégalité ci-après : Mi + Cr + Ni + Mo 38% 35 8. Acier inoxydable selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il contient 8,5 à 14% de manganèse et 0,2 à 0,33% d'azote. 72 14723 9 2134519 9. Acier inoxydable selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il contient 8,5 à 14% de manganèse, 18,5 à 23% de chrome, 10 à 16% de nickel et 2 à 3% de molybdène. 10. Acier inoxydable selon la revendication 7, caractérisé en 5 ce qu'il contient jusqu'à 0,05% de carbone, 8,5 à 14% de manganèse, jusqu'à 0,4% de silicium, 18,5 à 23% de chrome, 10 à 16% de nickel, 2 à 3% de molybdène et 0,22 à 0,33% d'azote. 11. Acier inoxydable selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport pondéral manganèse/azote est au moins égal à 45.