Brevet FR2461010A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne un procédé pour améliorer la'résistance à la décarburation d'un acier au chrome-molyb- dène. Plus particulièrement l'invention concerne un procédé pour obtenir un acier de construction utile dans un généra-- teur de vapeur chauffé au sodium d'un réacteur surrégénéra- teur à neutrons rapides à métal liquide ou d'un réacteur à fusion nucléaire dans lequel on utilise du lithium. On entend par acier au chrome-molybdène, un acier corres- pondant aux spécifications STPA24, STBA24 et SCMV4 des normes industrielles japonaises (JIS) G3458, G3462 et G4109 (voir JIS Handbook, Steel (1979) publié par Japanese Standards Association). Le matériau d'une canalisation de transfert de chaleur que l'on utilise par exemple dans un générateur de vapeur chauffé au sodium d'un réacteur surrégénérateur à neutrons ra- pides, est obtenu par recuit d'acier CR: 2,25 - Mo: 1 à 920- 9400C puis refroidissement au four ou par normalisation d'un acier Cr: 2,25 - Mo: 1 puis revenu. Cependant lorsqu'on uti- lise un matériau ainsi traité dans du sodium à température élevée, la concentration en carbone du matériau diminue (dé- carburation). La vitesse de décarburation est très élevée. Le carbone que l'on incorpore au matériau pour former une solu- tion solide et accroître ainsi sa résistance mécanique ou le carbone formé par la décomposition des carbures dans le maté- riau, est dissout dans le sodium ce qui réduit la résistance mécanique du matériau. On a précédemment effectué diverses études pour réduire la vitesse de décarburation et accroître la résistance à la décarburation. Pour accroître la résistance à la décarburation, il est efficace de faire réagir le carbone contenu sous forme d'une solution solide dans le matériau avec du fer, du chrome, du molybdène et d'autres constituants secondaires du matériau pour former des carbures stables dans le matériau. On a propo- sé un procédé pour former des carbures dans le matériau par traitement thermique à une température d'environ 7000C pendant 0,5 à 3 heures. Cependant selon le procédé classique de trai- tement thermique, le degré de diminution de la vitesse de dé- carburation est faible bien qu'on puisse la réduire dans une certaine mesure. De plus les particules de carbures formées 24610 e0 dans le matériau par le traitement thermique classique devien- nent partiellement grossières. Ceci est indésirable en ce qui concerne la résistance mécanique à température élevée du ma- tériau. L'invention a pour objets - un procédé pour améliorer la résistance à la décarbu- ration d'un acier au chrome-molybdène; - un procédé pour obtenir un acier au chrome-molybdène résistant à la décarburation dans lequel de nombreuses parti- cules fines et stables de carbures sont formées; et - un acier de construction convenant par exemple dans un générateur de vapeur d'eau chauffé au sodium d'un réacteur surrégénérateur à neutrons rapides, qui présente un degré ré- duit de détérioration au cours du temps avec une amélioration des performances, de la fiabilité et de la sécurité du géné- rateur de vapeur. Selon un mode de réalisation de l'invention, on soumet tout d'abord l'acier au chrome-molybdène à un écrouissage à froid pour obtenir un taux de travail au moins égal à 5% et former ainsi de nombreux germes pour la formation de carbures dans l'acier.-On soumet ensuite l'acier écroui à froid à un traitement thermique pour y former des particules stables et fines de carbures. On effectue de préférence le traitement thermique entre environ 600 et 750'C pendant 0,5 à 10 heures. On peut répéter deux fois ou plus le cycle d'écrouissage à froid et de traitement thermique pour accroître le taux de travail et améliorer ainsi la résistance à la décarburation. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on effectue en un seul stade l'écrouissage produisant des germes pour la formation de carbures et le traitement thermique par écrouissage à chaud de l'acier au chtome-molybdène à une tem- pérature de 600 à 750'C pour obtenir un taux de travail au moins égal à 5%. On peut soumettre l'acier ainsi écroui à chaud à un traitement thermique additionnel à une température de 600 à 7500C pour y accélérer la formation de particules fines et stables de carbures. Dans la présente description, le terme "taux de travail" indique le degré de travail plastique tel que le forgeage, le laminage, l'extrusion, le travail à la presse et similaires. Le taux de travail est exprimé par l'importance de la défor- mation de la matière travaillée et il englobe le taux de for- geage pour le forgeage, le taux de diminution de l'épaisseur ou le taux d'étirage pour le laminage et similaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un diagramme de transformation isother- me de l'acier Cr: 2,25 - Mo: 1; - les figures 2(A) et 2(B) sont des photomicrographies d'acier au chrome-molybdène traité respectivement selon un procédé classique et selon le procédé de l'invention; - la figure 3 illustre la relation entre le taux de tra- vail à froid (taux d'étirage) d'un acier au carbone (teneur en carbone: 0, 30%) et ses propriétés mécaniques; - la figure 4 illustre la relation entre la constante de vitesse de décarburation et le taux de travail à froid; et - la figure 5 illustre la relation entre la constante de vitesse de décarburation et des procédés de traitement ther- mique. L'invention va maintenant être décrite de façon détaillée en regard des figures annexées et par comparaison avec l'art antérieur. Comme précédemment décrit, si un acier au chrome-molybdè- ne est exposé à l'action du sodium à une température élevée pendant une durée prolongée, le carbone incorporé au matériau pour former une solution solide et ainsi conserver ou accroî- tre la résistance mécanique du matériau ou le carbone produit par la décomposition des carbures formés dans le matériau, se dissout (décarburation) dans le sodium, ce qui réduit la ré- sistance mécanique du matériau. Pour accroître la résistance à la décarburation, il est efficace de faire réagir le carbo- ne contenu sous forme d'une solution solide dans le matériau, avec du fer, du chrome, du molybdène ou d'autres constituants secondaires du matériau pour y former des carbures stables. On a utilisé un procédé dans lequel on effectue un traitement thermique à une température d'environ 700'C pendant 0,5 à 3 heures pour former des carbures stables dans le matériau, com- me illustré par le diagramme de transformation isotherme de la 24610O figure 1. Cependant, le simple traitement thermique ne permet pas un ajustement suffisant de la taille, de la distribution et de la nature des particules de carbures formées par le traitement thermique ou pendant l'emploi après le traitement thermique. A la suite de recherches importantes, la demanderesse a découvert qu'il est nécessaire de former un grand nombre de particules fines et stables de carbures dans le matériau pour améliorer sa résistance à la décarburation et empêcher la di- minution de sa résistance mécanique. A cet égard, si on sou- met le matériau à un écrouissage à froid, il se forme de nom- breux glissements dans les cristaux et les carbures se forment au niveau de ces irrégularités cristallines qui se comportent comme des germes de formation et de croissance des carbures. Le premier mode de réalisation du procédé de l'invention con- siste à soumettre un açier au chrome-molybdène à un écrouis- sage à froid pour obtenir un taux de travail au moins égal à 5% et produire ainsi dans le matériau de nombreux germes pour la formation des carbures, et à soumettre l'acier au chrome-molybdène à un traitement thermique pour former des carbures stables et fins. La figure 2(A) est une photomicro- graphie d'un acier traité selon un procédé classique selon lequel on soumet le matériau à un traitement thermique à 9200 C puis on le refroidit au four à la vitesse de 100'C/h. La figure 2(B) est une photomicrographie d'un acier traité selon le procédé de l'invention selon lequel on soumet le même acier à un écrouissage à froid pour obtenir un taux de travail de % puis à un traitement thermique à 700'C pendant 432 heures. On voit que si on effectue un écrouissage à froid avant le traitement thermique, le nombre des germes de production de carbures s'accroît, la taille des particules de carbures est plus petite et leur nombre plus important tandis que si on effectue simplement un traitement thermique, le nombre des germes de formation des carbures est faible et les particules de carbures sont plus grosses. Bien que le matériau ci-dessus ait été écroui à froid avec un taux de travail d'environ 90%, on sait que les pro- priétés mécaniques des aciers au carbone varient beaucoup pour un taux de travail d'environ 5% comme le montre la figure 3. 24610. 0 On considère donc que le nombre des germes de formation de carbures s'accroit pour un taux de travail d'environ 5% et plus. On a examiné la relation entre le taux de travail à froid et la vitesse de décarburation dans le sodium liquide et les résultats de cette étude sont illustrés par la figure 4. Dans le graphique illustré par la figure 4, la constante décaburaion g.c2 -1/2 de vitesse de carburation (g.cm.s) est définie par la pente de la droite que l'on construit en portant la masse to- tale de carbone perdue par unité de surface par rapport à la racine carrée du temps (voir "Decarburization Kinetics of Low Alloy Ferritic Steels in Sodium" de J.L. Krankota et coll. METALLURGICAL TRANSACTIONS, vol. 3, pp. 2515-2523, Septembre 1972). Comme le montre la figure 4, un taux de travail à froid élevé est recommandé pour réduire la vitesse de décarburation. Plus le nombre des germes de formation de carbures que con- tient le matériau est important, meilleurs sont les résultats. Cependant en pratique, le taux de travail dans un stade d'écrouissage à froid est au maximum d'environ 50 %. Donc on préfère répéter les cycles d'écrouissage à froid et de traite- ment thermique. Selon cette technique on évite une hétérogé- néité des irrégularités cristallines dans la direction de 1' épaisseur, due à l'écrouissage à froid ainsi qu'une insuffi- sance du taux de travail à froid. Plus particulièrement, des carbures sont formés par le premier écrouissage à froid et le premier traitement thermique puis le second écrouissage à froid déforme certaines particules déformables et fragiles des carbures formés lors du premier traitement ce qui réduit la taille des particules de carbures et permet la formation ultérieure de carbures à partir du carbone demeurant non com- biné après le premier traitement. On forme ainsi une grande quantité de particules fines de carbures. Le taux de travail va maintenant être décrit. Si l'on ef- fectue l'écrouissage à froid avec un taux de travail de 5%, la partie centrale du matériau n'est parfois pas traitée lorsque le matériau est épais. Généralement, dans le traitement des aciers faiblement alliés, l'influence du taux de travail est négligeable s'il n'est pas supérieur à 15%. Donc en pratique on préfère un taux de travail au moins égal à 15%. 24610l0 La figure 5 illustre la relation entre la vitesse de décarburation dans le sodium liquide et la température de traitement thermique. On soumet les matériaux à un traitement thermique entre 600 et 7500C pendant 0,5 à 10 heures. Comme le montre la figure 5, les effets du procédé de l'invention (c'est-à-dire les effets obtenus avec le matériau écroui à froid) sont supérieurs à ceux des procédés classiques. Le second mode de réalisation du procédé de l'invention est un procédé dans lequel on accomplit en un seul stade de travail produisant les germes de formation des carbures et le traitement thermique de formation des carbures sur les germes. Ce procédé consiste à soumettre l'acier au chrome-molybdène à un écrouissage à chaud à une température de 600 à 750'C pour obtenir un taux de travail d'au moins 5% et former ainsi une grande quantité de particules fines et stables de carbures dans les matériaux. Cet intervalle des températures est infé- rieur à la température à laquelle se produit la recristalli- sation. Selon ce procédé, des glissements se produisent dans les cristaux ce qui produit de nombreux germes pour la for- mation des carbures. Simultanément avec la formation des ger- mes, à la température utilisée dans cet écrouissage à chaud, un grand nombre de particules fines et stables de carbures se forment sur les germes. Par conséquent, on peut réduire la vitesse de décarburation. Pour les mêmes raisons que dans le premier mode de réalisation de l'invention, on préfère effec- tuer le travail à chaud de façon répétée. Le troisième mode de réalisation de l'invention est un procédé comportant l'écrouissage à chaud du second mode de réalisation suivi d'un traitement thermique additionnel entre 600 et 750'C pendant 0,5 à 10 heures du matériau ayant subi l'écrouissage à chaud. Ce traitement thermique additionnel permet d'accélérer la production de particules fines et sta- bles de carbures sur les germes de formation des carbures. Les matériaux utilisés dans les expériences précédemment décrites correspondent à la spécification STBA24 de la norme JIS G3462 (voir JIS Handbook, Steel, (1979) publié par la Japanese Standards Association). Selon l'invention qui vient d'être décrite en détail, on produit un grand nombre de germes fins pour la production de carbures et on forme des carbures sur les germes. Donc on peut comme le montrent les figures 4 et 5 réduire considérablement la vitesse de décarburation par rapport au procédé classique. Par conséquent si on utilise un matériau traité selon le procédé de l'invention par exemple dans un générateur de va- peur d'eau chauffé au sodium dans un réacteur surrégénérateur à neutrons rapides, on peut réduire le degré de détérioration et améliorer considérablement les performances, la fiabilité et la sécurité de ce générateur de vapeur. Bien que l'effet de l'invention ait été décrit en ce qui concerne la résistance à la décarburation dans le sodium liquide, il convient de noter qu'on obtient un effet semblable en ce qui concerne la résistance à la décarburation dans le lithium liquide. -. 2461010 REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer la résistance à la décarbura- tion-d'un acier au chrome-molybdène caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre cet acier au chrome-molybdène à un écrou- issage pour obtenir un taux de travail au moins égal à 5 % et à soumettre l'acier écroui à un traitement thermique pour for- mer des particules fines et stables de carbure dans l'acier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'écrouissage est un écrouissage à froid. -10 -3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on répète deux fois ou plus le cycle d'écrouissage à froid et de traitement thermique. 4.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'écrouissage est un écrouissage à chaud. * "- 15 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue le traitement thermique à une température de 600 à 750 C pendant une durée de 30 minutes à 10 heures. 6. Procédé selon la revendication-1, caractérisé en ce que les étapes d'écrouissage et de traitement thermique sont effectuées simultanément en soumettant l'acier à un écrouissa- ge à chaud à une température de 600 à 750 C pour: obtenir un taux de travail au moins égal à 5 %. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé -en ce qu'on effectue de façon répétée l'écrouissage à chaud. f'