Brevet FR2380835A1 — publié le 19780915

La présente invention concerne un procédé pour l'élabora- tion d'aciers au chrome ferritiques doués d'une haute résistance au choc avec entaille à l'état soudé ainsi qu'un acier au chrome produit selon le procédé et son utilisation pour des objets soudés. C'est surtout au cours des dix dernières années que les aciers au chrome ferritiques ont acquis un intéret technique. Ils ont fait l'objet de recherches poussées visant à leur conférer des propriétés qui les rendent également utilisables pour des assemblages soudés. Des connaissances élargies sur les méca nismes influant sur la résistance ainsi que sur les processus mé tallurgiques de la fusion intervenant dans la fabrication de l'acier ont permis de conférer à ces aciers des propriétés qui répondent aux exigences posées par la réalisation d'assemblages soudée À ce propos, on mentionnera en particulier les structures soudées en contact avec l'eau chaude ainsi qu'elles sont par exemple.décrites dans la demande DU-OS 23 18 soe. Grace à l'utili ration de ces nouvelles connaissances, il a été possible de réaliser des constructions qui présentent également dans la zone sen sible, au voisinage du cordon de soudure, des propriétés mécaniques acceptables et une résistance élevée à la corrosion. Il subsiste néanmoins certains défauts, notamment en ce qui concerne la croissance des grains qui peut se produire dans le cordon de soudure et dans son voisinage, ce qui n'est pas souhaitable. Cela conduit en règle générale à une augmentation de la température dite de "transition, c'est-à-dire la température à laquelle la résistance au choc avec entaille de l'acier décroît iortement et il arrive que la construction en acier se fragilise déjà à la température ambiante. Sur la base des nouvelles connaissances sur le mécanisme de la croissance des grains, on a essayé de trouver une méthode capable de créer des conditions pour que la structure acquière une plue grande stabilité aux températures élevées rencontrées au cours du soudage et qui conduisent à une croissance excessive des grains dans les aciers ferritiques. La mobilité dlune jonction de grain dépend de la température, ce qui peut s'exprimer par une fonction dthrrhéniua. Cela vaut également pour la diffusion à la jonction de grain qui s'ap- parente à la mobilité. Les deux phénomènes possèdent une énergie d'activation du même ordre de grandeur. La mobilité de la jonc tion de grain et le déplacement dans une jonction de grain sont entravés par la présence de particules, solubles ou insolubles, dans la masse de l'acier. Pour rendre cet empêchement effectif, il faut qu'un grand nombre de ces particules soient présentes, celles-ci devant être réparties de telle manière que la distance les séparant soit relativement faible.En augmentant la tempéra ture, il se produit avec le temps une coalescence des particules solubles, autrement dit certaines particules se développent au détriment d'autres, ce qui a pour résultat d'atténuer lentement l'effet inhibiteur sur la mobilité de la jonction de grain et finalement de le supprimer. Les travaux de recherche approfondie se trouvant à la base de cette invention ont montré que la précipitation finement dispersée de nitrures et de carbures (et de carbonitrures) de titane que l'on obtient par exemple par refroidissement rapide du bain fondu et réchauffage, ne coalesce que très lentement. Des assemblages soudés réalisés à partir d'un acier obtenu par compression et frittage d'une poudre résultant de la pulvérisation sous argon d'un bain d'acier au chrome présentent, comme on a pu l'ob- server, une tendance nettement moindre à l'accroissement du grain lors du chauffage jusqu'à la température de soudage. Il est également apparu que ces objets soudés sont comparables, quant à leurs propriétés de solidité et de résistance à la corrosion, à des aciers de même composition obtenus selon la méthode habituelle. La résistance à la croissance des grains qui en résulte a également pour conséquence des propriétés de ténacité dans le voisinage du cordon de soudure qui n'ont pas pu être obtenues avec des aciers élaborés selon le procédé habituel. Un élément d'amélioration de la résistance au choc avec entaille se rapporte à la température dite de "transition". Plus elle est basse, moindre est la tendance à la rupture par fragilisation dans des assemblages soudés. Ainsi qu'il ressort de l'exemple ci-dessous, la tôle d'a cier produite selon l'invention par un procédé de métallurgie des poudres suivi d'un traitement à chaud ou à froid est nettement supérieure, en ce qui concerne sa résistance au choc avec entaille, à un matériau de même composition, réalisé selon une méthode courante jusqu'ici. L'invention se rapporte à un procédé pour l'élaboration d'aciers au chrome ferritiques, inoxydables, stabilisés, doués d'une haute résistance au choc avec entaille à l'état soudé et possédant la composition suivante max. 0,03 * de carbone n 0,03 % d'azote 10 à 30 * de chrome n 5 % de nickel, de préférence 0,5 % au maux. n 5 3% de cuivre, de préférence 0,2 % au max. 1 % de silicium n 2 % de manganèse 0,5 à 4 % de molybdène ainsi que des éléments stabilisants fixant le carbone et l'azote, consistant en particulier en titane, mais également en niobium, tantale, aluminium et autres éléments seuls ou en association avec le titane, les teneurs devant correspondre au moins au rapport stoecbiométrique nécessaire à la formation de nitrures et dè carbures, le reliquat étant du fer, Dans ce procédé la matière de départ est préparée par un procédé de métallurgie des pondres connu en soi et notamment à l'aide d'une poudre qui a été obtenue par pulvérisation d'aciers ferritiques, inoxydables, stabilisés. La fabrication comprend de façon connue une compression et un frittage de la poudre dans un moule présentant des dimen sions et un degré de tassement tels que celui-ci peut être converti, selon la méthode habituelle, c'est-à-dire par traitement à chaud ou à froid, en un produit semi-ouvré, compact et exempt de pores, de la forme désirée, par exemple en forme de talez On fournit ci-après un exemple destiné à illustrer et à confirmer les réalisations effectuées jusqu't ce jour. Toutefois, l'invention ne se limite pas à la fabrication d'un produit semi ouvré à partir de l'acier au chrome précité pour des assemblages soudés. Elle englobe tous les aciers au chromeinoxydabless, stabilisés, dotés d'une structure ferritique. Acier au chrome-molybdène à 17%, stabilisé au titane our éc geurs de température La sourire a été préparée par pulvérisation sous argon d'une masse fondue d'un acier au chrome-molybdène de composition suivante : 0,03 % de carbone 17 e! de chrome 2,4 % de molybdène 0,6 ah de titane 0,03 % d'azote 0,02 % d'oxygène le reliquat étant du fer. Le procédé de métallurgie des poudres utilisé est décrit dans la demande de brevet suédois No 75 02944-7. La poudre a été chargée sous vibration dans une capsule en tôle de fer qui, après soudage, a été comprimée de façon isostatique à froid sous 4 kilobars. La capsule a été ensuite chauffée pendant 20 minutes à 1100 C et façonnée en des tiges de 15 mm de diamètre qui ont été ensuite laminées en des tôles d'une épaisseur de 5 mm. Les restes de la capsule ont été éliminés par attaque chimique. Après le recuit de recristallisation à 9000C (10 minutes), le matériau possédait un gain très fin et une dimension de grain de 11 à 16 pm. Un matériau de même composition, mais produit selon la manière habituelle sous forme de tale laminée à froid, possédait une dimension de grain de 30 à 60 Pour évaluer la tendance du matériau à l'accroissement du grain, il a été procédé à des recuits à 11000C, 12000C et 130000 pendant une durée de 2, 5 et 30 minutes. On nua observé aucun changement de taille de grain avec l'acier produit selon l'invention après des recuits à 11000C et 120000. Après un recuit de 2 minutes à 13000C, la dimension de grain était de 16 à 22 m (des grains isolés de 60 pm); après un traitement thermique extrême de 30 minutes à 13000C, la taille des grains à la surface était encore de 16 à 30 m, mais dans la masse on a observé des grains grossiers. Un essai analogue avec un matériau produit selon le procédé classique a conduit à une dimension de graine de 125 jini après 2 minutes de recuit à 1100 C, de 200 pin après 2 minutes à 12000C et de 300 à 500 pm à 130000 Il en résulte que l'acier produit selon l'invention par le procédé de métallurgie des poudres manifeste une résistance élevée à la croissance des grains. Il est avantageux de maintenir la quantité de particules dans les joints de grains à un niveau bas qui est effectivement atteint par la présente invention. Les particules précipitées dans l'acier se trouvent essentiellement dans le grain et sont donc relativement inoffensives. Il importe également que la dimen- sion des particules dans le joint de grains ne dépasse pas une valeur. critique. Au voisinage des grosses particules, il se forme en effet des pores qui sont le siège de fissures et conduisent de ce fait à une diminution de la résistance au choc avec entaille.Les faibles teneurs en carbone et en azote ainsi que la vitesse de refroidissement critique adoptée pour la fabrication de la poudre ont pour résultat un état finement dispersé des particules précipitées, ce qui répond à l'exigence ci-dessus relative à une dimension de particule critique. L'-utilization des aciers au chrome ferritiques élaborés selon la présente invention pour des assemblages soudés met par con séquent à profit la ténacité très élevée du matériau lorsque celui-ci est produit par un procédé de métallurgie des poudres. Grt- ce à sa résistance à lblévation de température, il ne peut pas se produire de croissance notable des grains au cours du soudage. Il en résulte de grandes possibilités d'exploitation industrielle et par conséquent une rentabilité élevée de l'invention, comparativement à des produits soudés qui font appel à l'élaboration d'aciers de même composition selon des procédés traditionnels0 Pour évaluer la qualité de 1'acier en ce qui concerne sa résistance au choc avec entaille, on tient grand compte, en règle générale, de la température dite de "transsition". A cette température, la résistance au choc chute brutalement d'une valeur élevée à une valeur basse (voir norme DIN 50 115). Souvent, la temp6- rature de transition est finie comme étant la température à laquelle la résistance au choc avec entaille passe par la valeur 34 J/cm2. Les températures de transition des aciers au chrome inoxy- dables, ferritiques, stabilisée, produits selon les méthodes cou ranges actuelles, sont fonction du traitement thermique, de l'épaisseur de l'éprouvette et de la dimension du grain. Pour de grandes dimensions, ces aciers possèdent une température de transition entre 50 et 1000C. après un traitement thermique à 1300OC ou après soudage, la température de transition s'élève de 250C à 500C, passant ainsi à 75-150 C. Les constructions soudées réalisées à partir de tels aciers sont par conséquent fragiles à toutes les températures inférieures, qui couvrent la majeure partie des domaines d'application pouvant se présenter dans la pratique. Les températures de transition des aciers produits selon l'invention par procédé de métallurgie des poudres sont, par contre, nettement plus basses au départ que celles des aciers obtenus par les procédés classiques. Cela ressort nettement des représentations graphiques (fig. 1 et 2) qui montrent des courbes comparatives pour les températures de transition, la température e en OC étant portée en abscisse et la résistance au choc avec entaille ak en Joules/cm2 en ordonnée. Sur les figures 1 et 2, les courbes I, Il, III et IV font apparaître des températures de transition observées sur une tôle de 6,5 mm, les courbes I et III étant relatives à des aciers au chrome produits selon l'invention et les courbes II et IV à ceux obtenus par la méthode classique. Dans le cas des aciers élaborés selon l'invention par un procédé de métallurgie des poudres, on peut déduire des courbes I et II les valeurs haute et basse de la résistance au choc avec entaille. Les courbes représentées en fig. 1 ont été déterminées avec un matériau qui a subi un recuit de recristallisation pendant 15 min. à 8500C et une trempe à l'eau. La température de transition de l'acier au chrome élaboré selon l'invention se situe, d'après la courbe I, entre -200 et + OOC, alors que l'acier obtenu selon la manière habituelle présente, d'après la courbe II, une température de transition entre +200 et +40 C c'est-à-dire supérieure d'environ 4000 En fig. 2 on établit la comparaison entre des aciers au chrome identiques à ceux de la fig. 1, avec toutefois un traitement thermique à 13000C pendant 5 min. En dépit de cette température élevée, 11 acier élaboré selon l'invention possède encore, d'après la courbe III, une température de transition inférieure à la température ambiante, à savoir -10 C à +100C. Par contre, l'acier obtenu selon la méthode habituelle possède, d'après la courbe IV, une température de transition se situant entre +500C et +7000c1est-à-dire 600C au-dessus. Pour le spécialiste, et en particulier pour le fabricant de constructions soudées en aciers au chrome ferriques, le pro cédé selon l'invention constitue un progrès important et o!re la possibilité d'applications industrielles d'un matériau qui, jusqu'ici, n'était pas adapté à des objets soudés. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'élaboration d'acier au chrome ferritique, inoxydable, stabilisé, ayant une résistance élevée au choc avec entaille à l'état soudé, caractérisé en ce qu'on prépare, dans un procédé de métallurgie des poudres, une poudre dudit acier par pulvérisation sous argon de bain fondu d'acier de la composition désirée, on comprime et agglomère cette poudre de façon connue, et en ce que les corps moulés sont finalement transformés par traitement à froid ou à chaud en l'objet semi-ouvré désiré, de préférence en une tôle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un acier contenant max. 0,03 % de carbone " 0,03 % d'azote 10 à 30 % de chrome 5 5 % de nickel, de préférence 0,5 % au mat. " 3 % de cuivre, de préférence 0,2 % au max. n 1 % de silicium " 2 % de manganèse 0,5 à 4 % de molybdène, ainsi que des éléments stabilisants fixant le carbone et l'azote, consistant en particulier en titane, mais également en niobium, tantale, aluminium et autres éléments seuls ou en association avec le titane, les teneurs en ces éléments stabilisants correspondant au moins au rapport stoechiométrique nécessaire à la formation de nitrures et de carbures, le reliquat étant du fer. 3. Acier au chrome ferritique ayant une résistance élevée au choc avec entaille à l'état soudé, caractérisé en ce qu'sol est obtenu à partir d'une poudre possédant la composition suivante: max. 0,03 % de carbone " 0,03 % d'azote 10 à 30 f0 de chrome 5 % de nickel, de préférence 0,5 /0 au max. 3 % de cuivre, de préférence 0,2 % au max. " 1 % de silicium 2 2 iá de manganèse 0,5 ju à 4 % de molybdène ainsi que des éléments stabilisants fixant le carbone et l'azote, consistant en particulier en titane, mais également en niobium, tantale, aluminium et autres éléments seuls ou en association avec le titane, les teneurs en ces éléments stabilisants correspondant au moins au rapport stoechiométrique nécessaire à la formation de nitrures et de carbures, le reliquat étant du fer. 4. Utilisation des aciers, élaborés selon le procédé de la revendication 1 ou 2, pour des constructions soudées qui pré- sentent une résistance élevée au choc avec entaille dans la zone de soudure.