Brevet FR2414563A1 — publié le 19790810

La présente invention concerne la métallurgie et a notamment pour objet une composition d'acier. L'acier faisant l'objet de l'invention trouve des applications dans la fabrication des cuves des réacteurs atomiques pour la production d'énergie et pour les transports, fonctionnant avec un caloporteur sous haute pression. A l'heure actuelle on connaît un acier contenant, en poids 0,13,' de carbone, 0,15 à 0,30% de silicium, 0,30 à 0,55,' de manganèse, I à 1,5,' de chrome, 1,0 à 1,6,' de nickel, 0,5 à 0,7% de molybdène, 0,01 à 0,10,' de vanadium, 0,02 à 0,04% de cérium, du soufre et du phosphore à un taux pondéral égal ou inférieur à 0,20%, le reste étant du fer. Cet acier a de hautes propriétés mécaniques (limite élastique de 50 kg/mm2), mais il est enclin à la fragilisation sous l'action de l'irradiation neutronique (la température de transition ductile-fragile Tk augmente de 120 à 1600C après une irradiation neutronique d'environ 1.1020 neutrons/cm).En outre, l'acier connu ne peut être utilisé pour fabriquer des éléments à épaisseur de paroi supérieure à 400 mm, par suite de sa trempabilité insuffisante. On connatt aussi un acier de composition pondérale 0,11 à 0,25,' de carbone, 0,17 à 0,37% de silicium, 0,3 à 0,6,' de manganèse, 2 à 3% de chrome, 0,6 à 0,8% de molybdène, 0,25 à 0,35% de vanadium, taux du soufre et du phosphore #0,025% le reste étant du fer. L'acier a de hautes caractéristiques de résistance (limite élastique égale ou inférieure à 55 kg/mm2) et une bonne tenue à l'irradiation (accroissement de la température de transition ductile-fragile # Tk #60 C après une irradiation d'environ 1,0.1020 neutrons/cm2). Toutefois, on ne peut fabriquer avec cet acier que des pièces dont l'épaisseur ne dépasse pas 400 mm, et, de plus, le soudage de ces pièces se heurte à des difficultés, car il doit s'accompagner d'un chauffage jusqu'à 300-3500Cet être suivi immédiatement d'un revenu. En outre, on connaît un acier contenant, en poids, 0,25% de carbone, 0,15 à 0,3,' de silicium, 0,5 à 1,5,' de manganèse, 0,4 à 0,7% de nickel, 0,45 à 0,6% de molybdène, 0,04,' de soufre, 0,035,' de phosphore, le reste étant du fer. Cet acier est caractérisé par une bonne aptitude à la mise en oeuvre et une bonne soudabilité, mais sa résistance est peu élevée (limite élastique égale ou inférieure à 35 kg/mm2) et il se fragilise sous l'action de l'irradiation neutronique ( # Tk = 100 à 200 C après une irradiation neutronique d'environ 5.1019 neutrons/cm). D'autre part, on connait un acier ayant la composition pondérale suivante : carbone # 0,20,'; silicium - 0,20 à 0,3; manganèse - 0,4% ; chrome - 1,5 à 2,0% ; nickel - 3 à 4% ; molybdène - 0,45 à 0,60% ; vanadium - 0,03,' ; soufre et phosphore #0,02% ; fer = le reste. Cet acier est doué d'une grande r6sistance (limite élastique égale ou inférieure à 60 kg/mm) et d'une grande ténacité ; il se soude bien. Toutefois un tel acier est fragilisé par l'action de la chaleur et des radiations ( # Tk = 100 à 1500C après une irradiation neutronique d'environ 5.1019 neutrons/cm). Le but de la présente invention est d'éviter les inconvénients précités. On s'est proposé pour cela de créer un acier qui aurait dans sa composition des éléments dont le choix et le taux seraient tels qu'ils permettraient d'accroitre sa tenue vis-à-vis de l'action de l'irradiation neutronique et d'augmenter sa trempabilité. La solution consiste en ce que l'acier du type contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du chrome, du nickel, du molybdène, du vanadium, du cérium, du soufre, du phosphore et du fer, contient en outre, d'après l'invention, du cuivre, de l'antimoine et de l'étain, sa composition pondérale étant la suivante carbone .............................. 0,12 à 0,20%, silicium .............................. 0,15 à 0,37%, manganèse ............................... 0,3 à 0,896, chrome ............................... 1,6 à 2,796, nickel .................. 0,8 à 2,096, molybdène ............................... 0,5 à 1,0%, vanadium ............................... 0,05 à 0,15%, cérium ..................... 0,002 à 0,08g, soufre ............................... 0,001 à 0,02%, phosphore ............................... 0,002 à 0,02%, cuivre ........................... 0,01 à 0,1,', antimoine ................................ 0,0005 à 0,009%, étain ........................... 0,0005 à 0,009,', fer le reste. D'après l'invention, il est avantageux que la quantiX totale d'antimoine et d'étain contenue dans l'acier soit de 0,001 à 0,01% en poids. Grâce à l'invention, il devient possible d'obtenir un acier doué d'une tenue accrue à l'irradiation neutronique. A une température de 3000C, après une irradiation neutronique de 1.1020 neutrons/cm2 (E) 0,5 MeV), la température de transition ductile-fragile augmente au maximum de 500C. L'acier est prévu pour la fabrication de pièces à épaisseur de paroi allant jusqu'à 650 mm et assure une charge de rupture R r à la température de 3500C d'au moins 55 kg/mm2. L'acier ne requiert pas un revenu immédiat après le soudage. D'autres objectifs et avantages de l'invention sont mis en évidence dans la description détaillée suivante de la composition d'acier proposée et de plusieurs exemples de réalisation concrets et non limitatifs de l'invention. L'acier faisant l'objet de l'invention a la composition pondérale suivante ; 0,12 à 0,20% de carbone, 0,15 à 0,37% de silicium, 0,3 à 0,8 de manganèse, 1,6 à 2,7,' de chrome, 0,8 à 2,0% de nickel, 0,5 à 1,0% de molybdène, 0,05 à 0,15,' de vanadium, 0,002 à 0,08% de cérium, 0,01 à 0,10% de cuivre, 0,0005 à 0,009% d'antimoine, 0,0005 à 0,009,' d'étain, 0,001 à 0,02% de soufre, 0,002 à 0,020,' de phosphore, 96,246 à 92,862% de fer. Les taux indiqués de cuivre, d'antimoine et d'étain pris en combinaison rendent l'acier, objet de l'invention, réfractaire à la fragilisation due aux radiations. Le taux pondéral de carbone dans l'acier est de 0,12 à 0,20%. Quand le taux pondéral de carbone n'est pas inférieur à 0,12,', on obtient une charge de rupture de l'acier à 200C au moins égale à 62 kg/mm2. Afin que l'acier conserve une bonne soudabilité, le taux de carbone ne doit pas dépasser 0,20% en poids. Le silicium et le manganèse sont introduits à des taux assurant une désoxydation suffisamment complète de l'acier. La limite supérieure du taux de ces éléments est fixée aux valeurs indiquées afin de prévenir l'abaissement de la tenue cité de l'acier. Un taux de chrome non inférieur à 1,6,' confère à l'acier la résistance et la ténacité nécessaires pour des épaisseurs atteignant 650 mm. Quand le taux de chrome ne dépasse pas 2,7961 l'acier obtenu a une bonne soudabilité. Le nickel est ajouté à l'acier en tant qu'élément élevant d'une manière particulièrement efficace la trempabilité et la ténacité de l'acier. Toutefois, le taux de nickel dans l'acier ne doit pas dépasser 2% en poids, afin d'éviter l'influence nuisible du nickel sur la tenue de l'acier aux radiations. Le taux de molybdène est choisi dans des limites assurant la prévention de la fragilité de revenu, et de manière à accroitre la trempabilité de l'acier, ce qui est nécessaire pour obtenir une résistance élevée et une haute plasticité. Le vanadium est ajouté en tant qu'élément contribuant à l'obtention d'une structure à grains fins, à la liaison de l'azote et à l'élévation de la stabilité de revenu de l'scier. La limite supérieure de son taux est fixée à 0,15,' en poids afin de conserver la soudabilité. Le cérium est utilisé pour améliorer la déformabilité de l'acier lors du forgeage et du laminage de gros lingots. La limite supérieure (0,08,' en poids) de son taux est fixée à cette valeur par suite du risque de pollution de l'acier par les oxydes de cérium, ce qui altèrerait la déformabilité et favoriserait l'apparition de défauts. La présence de soufre et de phosphore dans les limites indiquées donne un accroissement supplémentaire de la ténacité de l'acier. L'acier de composition proposée est élaboré sous. forme de lingots dont le poids peut aller jusqu'à 200 t, et peut entre mis en oeuvre sous la forme de pièces forgées ou de tôlea. Après trempe et revenu, l'acier proposé, en épaisseurs allant jusqu'à 650 mm, a les propriétés mécaniques garanties suivantes à 200C : limite élastique Re > 55 kg/mm2, charge de rupture Rr# 62 kg/mm2, allongement relatif A .) 1596, striction relative # # 55%, à 350 C : Re # 45 kg/mm, Rr # 55 kg/mm, A 2 1496, t 2 50%. L'acier se prête au soudage automatique, manuel ou sous laitier électroconducteur. Le revenu immédiat après soudage et le chauffage lors de l'application par soudage d'un alliage anticorrosion ne sont pas nécessaires. La température de transition ductile-fragile Tk, déterminée d'arpès la valeur du travail fourni pour la rupture d'éprouvettes Charpy à entaille en V, égale à 4,8 kgm, n'est pas inférieure à -40 C à l'état initial, et après irradiation à une température de 275 à 3200C son accroissement est # T Tk # 200 pour une irradiation de 1.1019 neutrons/cm2, a Tk # 30 pour une irradiation de 5.10@@ neutrons/cm2, # Tk # 500 pour une irradiation de 1.1020 neutrons/cm2. Avec de tels changements de la température de transition ductile-fragile, l'acier répond pleinement aux prescriptions de tenue vis-à-vis de la fragilisation due aux radiations, prévues par les règlements concernant le calcul de la résistance des récipients à paroi épaisse pour les installations atomiques de production d'énergie, en vigueur en URSS et à l'étranger. En accord avec ces prescriptions l'emploi de l'acier assure une durée d'exploitation sans risques des cuves des réacteurs modérés et refroidis par eau non inférieure à 30 ans, pour une irradiation neutronique de la paroi de la cuve non inférieure à 1.1020 neutrons/cm2. Exemple 1. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,12,' ; silicium - 0,27,' manganèse - 0,48,' ; chrome - 2,47,' ; nickel - 1,14,' molybdène - 0,56,' ; vanadium - 0,12,' ; cérium (valeur calculée) = 0,01% ; soufre - 0,011% ; phosphore - 0,009% ; cuivre 0,03% ; antimoine - 0,001% ; étain - 0,002% ; fer = le reste. Après traitement thermique à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale une limite élastique R3 = 59,1 kg/mm. La température de transition ductile-fragile était Tk = -90 C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique F = 9,7.1019 neutrons/cm2 (E # 0,5 MeV), la température de transition s'est élevée d'une valeur non supérieure à 100C. Exemple 2. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,12% ; silicium - 0,27,' ; manganèse 0,48% ; chrome - 2,47% ; nickel - 1,14% ; molybdène - 0,56,' vanadium - 0,12% ; cérium (valeur calculée) - 0,01% ; soufre - 0,011% ; phosphore - 0,009% ; cuivre - 0,06% ; antimoine 0,001% ; étain - 0,02% ; fer - le reste. Après traitement thermique à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale une limite élastique R e = 58,7 kg/mm2. Température de transition ductile-fragile Tk = -900C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm). Après irradiation neutronique F = 9,7.1019 neutrons/cm2 à une température de 275 à 3200C, la température de transition s'est accrue d'une valeur non supérieure à 100C. Exemple 3. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,12 ; silicium - 0,27,' ; manganèse 0,48% ; chrome - 2,47% ; nickel - 1,14% ; molybdène - 0,56% vanadium - 0,12% ; soufre - 0,011% ; phosphore - 0,009% ; cuivre - 0,08% ; antimoine - 0,001% ; étain - 0,002% cérium (valeur calculée) - 0,01% ; fer - le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale une limite élastique Re = 59,6 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -900C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur).Après irradiation neutronique de 9,7#1019 neutrons/ cm2 (E? 0,5 MeV) à une température de 275 à 320 C , la température de transition s'est élevée d'une valeur non supérieure à 100C. Exemple 4. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,12,' ; silicium - 0,27% ; manganèse - 0,48% ; chrome - 2,47% ; nickel - 1,14,' ; molybdène 0,56,' ; vanadium - 0,12,' ; soufre - 0,011% ; phosphore 0,009% ; cuivre - 0,08% ; antimoine - 0,007% ; étain 0,002% ; cérium (valeur calculée) - 0,01,' ; fer - le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale (200C) une limite élastique Re = 59,9 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -800C (sur des éprouvettes de 5 x 5x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique de 9,7.1019 neutrons/cm2 (E # 0,5 MeV) à une température de 275 à 320 C, la température de transition s'est élevée de 300C. Exemple 5. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,12,' ; silicium - 0,27% ; manganèse - 0,48,' ; chrome - 2,47,' ; nickel - 1,14,' ; molybdène 0,56,' ; vanadium - 0,12,' ; soufre - 0,011% ; phosphore 0,009% ; cuivre - 0,08% ; antimoine - 0,007% ; étain - 0,009% cérium . (valeur calculée) - 0,01% ; fer = le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale (200C) une limite élastique Re = 59,6 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -800C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur).Après irradiation neutronique de 9,7.1019 neutrons/cm2 (E) 0,5 MeV) à une température de 275 à 320 C, la température de transition s'est élevée de 400C. Exemple 6. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,17,' ; silicium - 0,21% ; manganèse - 0,34,' ; chrome - 1,87,' ; nickel - 1,67,' ; - molybdène 0,82,' ; vanadium - 0,08% ; soufre - 0,013% ; phosphore 0,008% ; cuivre - 0,02% ; antimoine - 0,001% ; étain - 0,001% ; cérium (valeur calculée) = 0,01,' ; fer = le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale (200C) une limite élastique Re = 61,6 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -1100C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique de 1,2.1020 neutrons/cm à une température de 285 à 3100C, la température de transition est restée inchangée. Exemple 7. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,17% ; silicium - 0,21,' ; manganèse - 0,34% ; chrome - 1,87,' ; nickel - 1,67,' ; molybdène 0,82% ; vanadium - 0,08,' ; soufre - 0,013% ; phosphore 0,008% ; cuivre - 0,02% ; antimoin3 - 0,008% ; étain - 0,002% cérium (valeur calculée) - 0,01% ; fer - le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale (20 C) une limite élastique Re = 62,7 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -1000C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur).Après irradiation neutronique de 1,2.1020 neutrons/cm2 à une température de 285 à 3100C, la température de transition s'est élevée de 200C. Exemple 8. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,17% ; silicium - 0,21% ; manganèse - 0,34% ; chrome - 1,87% ; nickel - 1,67% ; mélybdène 0,82,' ; vanadium - 0,08% ; soufre - 0,013% ; phosphore 0,008% ; cuivre - 0,02,' ; antimoine - 0,0085 ; étain - 0,007% cérium (valeur calculée) 0,01,' ; fer - le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale une limite élastique Re = 63,1 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -900C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique de 1,2.1020 neutrons/cm2 une température de 285 à 3100C, la température de transition s'est élevée de 200C. Exemple 9. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,17,' ; silicium - 0,21,' ; manganèse - 0,34% ; chrome - 1,87,' ; nickel - 1,67,' ; molybdène 0,82% ; vanadium - 0,08% ; soufre - 0,013% ; phosphore 0,008% ; cuivre - 0,10% ; antimoine - 0,008% ; étain - 0,007% cérium (valeur calculée) - 0,01% ; fer - le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale une limite élastique R e = 63,2 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -900C (sur des éprouvettes de 5x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique de 1,2.1020 neutrons/cm à une température de 285 à 31 00C, la température de transition s'est élevée de 300C. Exemple 10. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,18% ; silicium - 0,32 ; manganèse 0,55X ; chrome - 2,31% ; nickel - 1,19% ; molybdène - 0,70% vanadium - 0,06,' ; soufre - 0,007% ; phosphore - 0,011% cuivre - 0,06,' ; antimoine - 0,002% ; étain - 0,0005% cérium (valeur calculée) - 0,02,' ; fer = le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé, l'acier d'une épaisseur de 650 mm avait à la température normale une limite élastique Re = 58,3 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk= -800C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique de 1,2.1020 neutrons/cm à une température de 285 à 3100C, la température de transition s'est élevée d'une valeur non supérieure à 10 C. Exemple 11. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,18,' ; silicium - 0,3296 ; manganèse - 0,55% ; chrome - 2,31% ; nickel - 1,19,' ; molybdène 0,70% ; vanadium - 0,06,' ; soufre - 0,007% ; phosphore 0,011% ; cuivre - 0,06,' ; antimoine - 0,002% ; étain - 0,004% cérium (valeur calculée) - 0,02,' ; fer = le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé en épaisseur de 650 mm, l'acier avait à la température normale une limite élastique Re = 59,3 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -80 C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique de 1,2.1020 neutrons/cm à une température de 285 à 3100C, la température de transition s'est élevée d'une valeur non supérieure à 10 C. Exemple 12. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,18,' ; silicium - 0,32% ; manganèse - 0,55% ; chrome - 2,31% ; nickel - 1,19% ; molybdène 0,7096 ; vanadium - O, 06% ; cérium (valeur calculée) - 0,02,' soufre - 0,007% ; phosphore - 0,011% ; cuivre - 0,06% antimoine - 0,007% ; étain - 0,004% ; fer = le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé en épaisseur de 650 mm, l'acier avait à la température normale une limite élastique R e = 57,9 kg/mm2. La température de transition ductile-fragile était Tk = -800C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique de 1,2.10@@ neutrons/cm@ a une température de 285 à 3100C, la température de transition s'est élevée de 300C. Exemple 13. On a soumis aux essais un acier de composition pondérale suivante : carbone - 0,18% ; silicium - 0,32,' ; manganèse - 0,55% ; chrome - 2,31,' ; nickel - 1,19,' ; molybdène 0,70% ; vanadium - 0,06,' ; cérium (valeur calculée) 0,02% ; soufre - 0,007,' ; phosphore - 0,011% ; cuivre 0,06% ; antimoine - 0,007,' ; étain - 0,008% ; fer = le reste. Après traitement thermique d'une éprouvette de cet acier à un régime imitant la trempe et un revenu poussé en épaisseur de 650 mm, l'acier avait à la température normale (20 C) une limite élastique Re = 58,2 kg/mm. La température de transsition ductile-fragile était Tk = -800C (sur des éprouvettes de 5 x 5 x 27,5 mm avec une entaille en V de 1 mm de profondeur). Après irradiation neutronique de 1,2.1020 neutrons/cm2 à une température de 285 à 3100C, la température de transition s'est élevée de 500C. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Acier du type contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du chrome, du nickel, du molybdène, du vanadium, du cérium, du soufre, du phosphore et du fer, caractérisé en ce qu'il contient en outre du cuivre, de l'antimoine et de l'étain. 2. Acier suivant la revendication 1, caractérisé par la composition suivante (% en poids) carbone ......................... 0,12 à 0,2096, silicium ............................. 0,15 à 0,37,', manganèse ......................... 0,3 à 0,896, chrome ............................. 1,6 à 2,7,', nickel .......................... 0,8 à 2,0%, molybdène ......................... 0,5 à 1,0%, vanadium ............................. 0,05 à 0,15,', cérium ......................... 0,002 à 0,08,', soufre ............................. 0,001 à 0,02%, phosphore ......................... 0,002 à 0,02%, cuivre ............................. 0,01 à 0,10%, antimoine .......................... 0,0005 à 0,009%, étain ......................... 0,0005 à 0,00996, fer ............................. le reste. 3. Acier selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la proportion totale d'antimoine et d'étain dans sa composition est de 0,001 à 0,01,' en poids.