Brevet FR2287520A1 — publié le 19760507

La présente invention sè rapporte à un acier austénitique inoxydable, ayant une excellente résistance à la chaleur et étant utile sous la forme d'acier de section de construction, de tales d'aciers de canalisations et de matières de soudure. Durant ces dernières années, les techniques à haute température et à haute pression progressent graduellement dans le domaine de l'industrie de l'énergie thermoélectrique et de l'industrie chimique, au point de vue de l'utilisation efficace de lténergie, et le développement de surrégénérateurs à grande vitesse qui peuvént utiliser efficacement de l'uranium naturel est en cours. Ces surrégénérateurs sont mis en fonctionnement à une température élevée, supérieure à 5500G, contrairement aux réacteurs classiques à neutrons thermiques. En conséquence, des aciers inoxydables austénitiques s'appliquant à ces équipements doivent avoir une propriété améliore rée de résistance à la chaleur, particulièrement une résistance améliorée au fluage. Les aciers inoxydables classiques, orientés sur ces applications à haute température, comprennent les aciers dits SUS 304, SUS 321 et SUS 547. Les aciers dits SUS 321 et SUS 347 sont des modifications de l'acier dit SUS 304, par addition de Ti ou de Nb pour améliorer la résistance au fluage. Cependant, ces qualités d'acier présentent un abaissement considérable de résistance s'ils sont soumis au fluage pendant un temps important et, ainsi, ne sont presque pas meilleurs que l'acier SUS 304.L'abaissement de résistance peut entre attribué au fait que le carbone dans l'acier se combine avec l'excès de Ti ou de Nb pour précipiter des carbures, ce qui provoque un renforcement de l'acier pendant un temps relativement bref, mais l'acier devient grossier au bout d?un temps important et se rassemble dans les limites de grains, ce qui affaiblit la résistance intergranulaire et, en meome temps que se produit ce phénomène, la teneur en carbone dans les grains stabaisse. La demanderesse a conduit diverses expériences pour mettre au point un acier inoxydable austénitique résistant à la chaleur, qui présente seulement un faible abaissement de résistance, mEme pour un fluage pendant un temps important, et elle a trouvé que, lorsqu'une très faible quantité de V ou de V et de Nb est ajou- tée à des aciers inoxydables austénitiques au Ni-Cr, on obtient une remarquable amélioration de résistance au fluage pendant un temps important Elle a également trouvé qu'une très faible quantité de Ce, de Mg et de Ca contribue à nettoyer l'acier et améliore l'aptitude au travail à chaud et le rendement de production, mais ces éléments n'ont pas d'influence sur la résistance au fluage. La présente invention a été atteinte sur la base des faits et des découvertes indiqués précédemment. La présente invention sera décrite en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels La figure 1 est un graphique présentant les effets de la teneur en vanadium et en niobium (en pourcent), portée en abscisses, sur la propriété de rupture par fluage à 650 C, sous 15 kg/mm2; on porte en ordonnées supérieures le temps de rupture en heure et en ordonnées inférieures l'allongement à la rupture en , et La figure 2 est une photographie prise au microscope (x 500), représentant la structure en coupe transversale de la partie rompue par fluage dans des aciers contenant V et V-Nb. Les caractéristiques de la présente invention résident dans le fait qu'on prévoit un acier inoxydable austénitique, résistant à la chialeur, comprenant 0,02 - 0,20 % en poids de carbone moins de 4 % en poids de silicium, 0,6 - 4 ffi en poids de manganèse, pas plus de 0,04 % en poids de phosphore, pas plus de 0,03 % en poids de soufre, 7 - 25 % en poids de nickel, 12 - 30 % en poids de chrome, 0,01 - 0,30 ffi en poids de vanadium, le complément étant du fer et des impuretés inévitables. Cette composition d'acier de base peut être modifiée par le fait qu'elle renferme, en outre, 0,01 - 0,30 % en poids de nioboum. Les raisons de la limitation des composants individuels de la composition d'acier selon la présente invention seront présentées ci-dessous. Le carbone est efficace pour augmenter la résistance à la rupture par fluage, mais, d'autre part, il dégrade la ductilité lors de la rupture par fluage. En conséquence, une teneur en carbone convenable doit entre choisié selon les conditions de mise en service dans lesquelles l'acier est utilisé. Cependant, un con tenu de carbone dépassant 0,20 ss dégrade remarquablement la ductilité et une valeur de 0,20 % est définie comme limite supérieure de la teneur en carbone. Une teneur en carbone préférable n'est pas supérieure à 0,10 %. Le silicium est un élément utile pour améliorer à la fois la résistance à la rupture lors du fluage et la ductilité. Cependant, un contenu en silicium excessif dégrade l'aptitude au travail et, ainsi, cette teneur en silicium est limitée à moins de 4 %. Dans des buts pratiques, pas plus de 1,0 % de silicium n'est souhaitable. Le manganèse, lorsqu il est contenu en quantité de 6 X ou plus, fixe le soufre contenu comme impureté, ce qui empoche l'aspect cassant à chaud de l'acier, et améliore l'aptitude à la soudure et l'aptitude au travail à chaud. D'autre part, une teneur en manganèse supérieure à 4 % dégrade la résistance à l'-oxydation de l'acier et, ainsi, la gamme de 0,6 à 4 ffi est définie comme teneur en manganèse dans la présente invention. Le nickel est efficace pour augmenter la résistance à haute température de l'acier et cet effet favorable peut être obtenu quand le nickel est présent en quantité non inférieure à 7 , mais des teneurs excessives en nickel dégradent l'aptitude au travail à chaud de l'acier. Ainsi, la limite supérieure de la teneur en nickel est de 25 %. Quand on utilise l'acier comme matière de soudure, il est souhaitable d'avoir une teneur en nickel de 7 - 12 . Le chrome (avec le nickel) produit la structure austénitique qui est efficace pour améliorer la propriété de résistance thermique, y compris la résistance au fluage, la résistance à ltoxy- dation et la résistance à la corrosion. Ces effets peuvent être obtenus quand le chrome est présent en quantité non inférieure à 12 %. Cependant, un contenu en chrome dépassant 30 ffi produit la structure ferritique, en abaissant ainsi l'aptitude au travail à chaud et la résistance thermique. Quand l'acier est utilisé comme matière de soudure, il est préférable d'avoir 18 à 25 % de chrome Le vanadium, quand il est présent en quantité non infé rieure à 0,01 , de préférence non inférieure à 0,05 OS % > présente une amélioration remarquable de la résistance à la rupture par fluage, presque sans aucune dégradation de la ductilité, tel que présenté sur la figure 1. Cette tendance est maintenue jusqu'à 0 > 50 , de vanadium, et, au-delà de cette valeur, l'augmentation de la résistance est faible alors que la ductilité se dégrade remarquablement. En conséquence, la limite supérieure de 0,30 % est indiquée pour la teneur en vanadium. Sur la figure 2, des carbures finement dispersés sont observés dans les grains et on ne voit aucun précipité de carbure grossier dans les limites des grains. De cette manière, I'addition de vanadium ou de vanadium et de niobium favorise les précipités fins de carbure dans les grains et limite la précipitation de carbure grossier dans les limites de grains. On considère que ces phénomènes améliorent la résistance au fluage à longue durée pour l'acier. Quand l'acier de la présente invention est utilisé dans des surrégénérateurs à grande vitesse, ou employé comme matériau de soudure et qu'on réalise une faible addition de niobium avec du vanadium, on peut obtenir une résistance au fluage semblable ou meilleure. Dans ce cas, on ajoute 0,01 - 0,)0 ss de niobium, de préférence 0,01 - 0,15 % de niobium. Les résultats de l'addition de niobium sont présentés sur la figure 1. Bien que le phosphore et le soufre soient présents comme impuretés inévitables, pas plus de 0,05 , de préférence 0,02 0,04 % de phosphore, peut contribuer à améliorer l'allongement au fluage, alors que le soufre doit être maintenu à une valeur aussi faible que possible, de préférence non supérieure à 0,01 ss parce qu'il dégrade l'aptitude au travail à chaud et les propriétés mécaniques. L'acier inoxydable austénitique selon la présente invention peut entre produit en préparant de l'acier fondu dans un four ordinaire de fabrication d'acier, tel qu'un four électrique, et un convertisseur, en fabriquant des billettes ou des brames d'acier à partir de l'acier fondu, par le procédé ordinaire de fabrication de lingots ou par le procédé de coulée continue, et en laminant à chaud les billettes ou les brames, suivi de laminage à froid et de traitement de revenu. Des exemples de la présente invention seront présentés ci-dessous. Le tableau I présente les compositions d'acier (k - I) de la présente invention préparées dans un four électrique, et les compositions d'acier classiques (SUS) préparées d'une manière semblable. Le tableau II présente la résistance à la rupture au fluage des aciers présentés dans le tableau I. Comme on le comprend clairement d'après le tableau II, des aciers inoxydables austénitiques au Ni-Cr résitant à la chaleur, ayant une excellente résistance à la rupture par fluage, par comparaison avec celle des aciers classiques, peuvent être obtenus avec un prix de revient inférieur. TABLEAU I Exemple de la présente invention - Compositions chimiques Aciers C Si Mn Ni Cr N V Nb P S A 0,04 0,91 1,43 8,2 18,7 0,030 0,07 - 0,026 0,006 B 0,06 1,54 1,75 12,4 20,5 0,021 0,17 - 0,035 0,007 C 0,07 3,03 1,50 13,5 19,8 0,035 0,29 0,05 0,024 0,004 D 0,08 2,80 1,38 10,2 18,0 0,028 0,25 0,10 0,027 0,008 E 0,09 2,30 1,71 20,1 26,2 0,019 0,13 - 0,031 0,004 F 0,09 3,14 1,66 11,5 23,3 0,030 0,27 0,01 0,017 0,005 G 0,11 1,85 1,59 11,0 20,7 0,021 0,10 0,03 0,038 0,006 H 0,16 2,97 1,59 9,8 15,9 0,023 0,10 0,15 0,021 0,005 I 0,17 2,52 1,53 10,5 19,4 0,026 0,13 0,28 0,029 0,007 SUS304 0,05 0,88 1,50 8,7 18,3 0,024 0,04 - 0,023 0,006 SUS321 0,06 0,54 1,57 10,3 18,7 0,015 0,04 - 0,025 0,008 SUS347 0,05 0,72 1,62 11,2 18,2 0,018 0,04 0,7 0,022 0,005 Les aciers A - D ont été utilisés sous la forme de tales d'acier et d'aciers de section. Les aciers E - I sont des métaux de soudure (dans les aciers F, G et H, V et Nb ont été ajoutés-à partir d'un produit de charge de soudure; dans l'acier G, V et Nb ont été ajoutés à partir d'un fondant). TABLEAU II Exemple de la présente invention - Propriétés mécaniques Aciers Résistance à la rupture par fluage (kg/mm) 600 C 650 C 700 C 10 h 104 h 10 h 104 h 10 h 104 h A 17,4 12,0 13,8 9,8 9,2 6,5 B 22,4 17,3 15,1 12,9 10,4 7,1 C 23,3 18,1 15,8 13,0 10,8 7,9 D 25,5 18,3 15,8 12,7 11,2 7,9 E 27,4 19,6 18,1 14,7 11,2 8,4 F 28,1 20,6 19,2 15,7 12,9 9,0 G 29,8 21,5 20,9 16,2 13,0 10,1 H 29,3 22,2 20,9 16,7 13,1 9,9 I 30,4 23,5 22,8 17,8 14,9 12,2 SUS304 16,2 10,3 12,3 8,7 8,1 6,5 SUS321 23,0 18,2 14,7 12,3 11,2 7,2 SUS347 26,5 17,0 15,3 12,5 12,3 7,5 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à lthomme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Acier inoxydable austénitique, résistant à la chaleur, caractérisé en ce qu'iL comprend 0,02 - 0,20 % en poids de carbone, moins de 4 X en poids de silicium, 0,6 - 4 % en poids de manganèse, pas plus de 0,04 % en poids de phosphore, pas plus de 0,03 % en poids de soufre , 7 - 25 % en poids de nickel, 12 3Q % en poids de chrome, 0,01 - 0,30 % en poids de vanadium, le complément étant du fer et des impuretés inévitables. 2 - Acier inoxydable austénitique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il renferme, en outre, 0,01 - 0,3 ss en poids de niobium.