Brevet FR2461760A1 — publié le 19810206

La présente invention concerne le domaine de la métallurgie et a notamment pour objet une composition d'acier. Les aciers ont reçu une très grande extension dans les constructions mécaniques, notamment dans la construction des matériels pour la production d'énergie, pour la fabrication de structures-soudées travaillant sous pression à des températures allant jusqu 4500C, par exemple de récipient sous pression pour les installations nucléaires. Pour garantir la fiabilité et la sécurité des installations nucléaires, les aciers pour les récipients sous pression doivent avoir une grande résistance mécanique et une haute ténacité aux températures de travail ainsi qu'une grande résistance à l'action fragilisante des températures élevées. On connait un acier qui peut etre utilisé dans la construction des matériels pour la production d'énergie, ayant la composition pondérale suivante carbone 0,02 à 0,15% manganèse O,1 à 2,5% molybdène aluminium 0,01 à 2,0 silicium 0,1 à 1,0% nickel vanadium 0,01 à 0,2% azote 0,002 à 0,02% fer le solde (cf. brevet R.F.A. nO 2 239 092). Cet acier peut assurer le niveau des caractéristiques de résistance mécanique requis pour la fabrication des récipient employés dans les unités nucléaires de production d'énergie, aux températures d' exploitation. Toutefois, quand les teneurs de cet acier en nickel et en manganèse se rapprochent des limites supérieures de la composition spécifiée, la tendance de l'acier à la fragilisation augmente notablement lors des séjours prolongés aux tempé pératures de 350 à 450"C. On connait aussi un acier qui est utilisé pour la fabrication des récipients sous pression employés dans les unités nucléaires de production d'énergie. Cet acier a la composition pondérale suivante carbone 0,08 à 0,11% silicium 0,17 à 0,37% manganèse 0,6 à 1,4 nickel 1,7 à 2,7% molybdène 0,35 à 0,6% vanadium 0,03 à 0,0796 aluminium 0,02 à 0,07% azote 6,005 à 0,012% fer le solde. Cet acier peut aussi contenir , sous forme d'impuretés jusqu'à 0,3% en poids de chrome, jusqu'à 0,2% en poids de cuivre, jusqu'à 0,02% en poids de soufre, jusqu'à 0,018% en poids de phosphore (certif. d'auteur URSS n 554 702). Cet acier, de même que celui indiqué plus haut, assure le niveau requis des caractéristiques de résistance mécanique, mais quand ses teneurs en nickel et en manganèse se rapprochent des limites supérieures spécifiées, sa tendance à la fragilisation lors de séjours prolongés aux températures de 350 à 450"C augmente notablement. On s'est donc proposé de créer un acier qui aurait une résistance accrue à la fragilisation lors de séjours prolongés aux températures de 350 à 4500 C. La solution consiste en un acier contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du nickel, du molybdene, du vanadium, de l'aluminium, de l'azote, du phosphore, du fer, dans lequel, d'après l'invention, il -y a aussi de l'arsenic, de l'étain et du calcium, sa composition pondérale étant la suivante carbone 0,08 à 0,14% silicium 0,10 à 0,37 manganèse 0,6 à 1,4% nickel 1,7% à 2,7% molybdène 0,4% à 0,7% vanadium 0,03 à 0,07% aluminium 0,02 à 0,07% azote 0,005 à 0,012% phosphore 0,008 à 0,015% arsenic 0,003 à 0,008% étain 0,001 à 0,005% calcium 0,005 à 0,15% fer le solde la somme des pourcentages pondéraux de nickel et de manganèse et le pourcentage pondéral de phosphore étant liés par la relation suivante (Ni + Mn ) P P les consEtuants et leurs pourcentages indiqués assurent à l'acier la combinaison de propriétés nécessaire. Ainsi, la limite supérieure choisie pour le carbone, égale à 0,14% en poids, est liée au fait que l'augmentation de la teneur en carbone au-dessus de cette valeur dans l'acier Mn-Ni-Mo-V altère la soudabilité et accroit la tendance à la rupture fragile. Une teneur en carbone inférieure à 0,08% en poids n'assure pas le niveaurequis des caractéristiques de résistance mécanique quand les sections sont grande. Une teneur en silicium inférieure à 0,10% en poids ne permet pas d'assurer une bonne désoxydation de l'acier, ce qui nuit à sa qualité. L'augmentation de la teneur en silicium au-dessus de 0,37% en poids entraine une diminution de la ténacité de l'acier et un accroissement de sa tendance à la fragilité de revenu. Une teneur en manganèse inférieure à 0,6% en poids n'assure pas le niveau requis des caractéristiques de résistance mécanique de l'acier quand les sections sont grandes. L'augmentation de la teneur en manganèse audessus de 1,4% en poids abaisse la résilience de l'acier, augmente sa tendance à la fragilité de revenu. La limite inférieure de la teneur en nickel, égale à 1,7% en poids, en présence de 0,8 à 1,4% en poids de manganèse, assure l'obtention du niveau de caracteristiques de résistance mécanique requis pour les récipients sous pression des unités nucléaires de production d'énergie. L'augmentation de la teneur en nickel au-dessus de 2,7% en poids accroit notablement la tendance de l'acier à la fragilité de revenu, altère sa soudabilité. Si la teneur en molybdène est inférieure à 0,4% en poids, la tendance de l'acier à la fragilisation aux hautes températures et à l'adoucissement lors du revenu s'accroit. Si la teneur en molybdène est supérieure à 0,7% en poids, la ténacité et la soudabilité de l'acier s'altèrent. La limite inférieure de la teneur en vanadium, égale à 0,03% en poids, assure une désoxydation et un dégazage suffisants de l'acier, ainsi qu'une structure fine. Si la teneur en vanadium dépasse 0,07% en poids, la soudabilité de l'acier s'altère. La diminution de la teneur en aluminium au-dessous de 0,02% en poids ne permet pas d'atteindré une déxoxydation complète et une fixation complète de l'azote dans les nitrures d'aluminium. Si la teneur en aluminium est supérieure à 0,07% en poids, l'acier se trouve pollué par les oxydes d'aluminium abaissant sa ténacité et sa plasticité. Si la teneur en azote n'est pas inférieure à 0,005% en poids, il se forme dans l'acier une quantité suffisante de nitrures d'aluminium, assurant l'obtention d'une structure à grains fins. Si la teneur en azote dépasse 0,012% en poids, l'acier et les soudures réalisées sur un tel acier peuvent être enclins au uREllissement de déformation ou thermique. Les limites prévues de la teneur en arsenic (0,003 à 0,008% en poids) et de la teneur en étain (0,001 à 0,005% en poids), en présence d'une teneur en phosphore à la limite supérieure, ne dépassant pas 0,015% en poids, permettent d'accroitre la- résistance de l'acier à la fragilisation lors de séjours prolongés à des-températures élevées, tout en assurant son élaboration à partir d'une charge constituée de matières usuelles. Afin que l'augmentation des teneurs de l'acier en nickel et en manganèse, dans les limites de la composition conforme à l'invention, n'accroisse pas la fragilisation due à la ségrégation intergranulaire ai phosphore lors de séjours prolongés à des températures élevées, la somme des pourcentages pondéraux de nickel et de manganèse est liée au pourcentage pondéral de phosphore par la relation (Ni + Mn) 'P10,037. Cette relation détermine les pourcentages admissibles de nickel et de manganèse. selon la pureté de l'acier vis-à-vis du phosphore pouvant être atteinte dans les conditions technologiques données, ou bien, inversement, elle rémente la limite supérieure du pourcentage de phosphore dans l'acier selon les pourcentages de nickel et de manganèse nécessaires pour assurer les propriétés mécaniques prescrites. L'acier faisant l'objet de l'invention contient, en plus, du calcium à un taux pondéral de 0,005 à 015%ce qui diminue la fragilisation de l'acier lors de séjours aux températures élevées, gr ce à l'abaissement de l'influence défavorable de l'effet d'anisotropie de la ténacité de l'acier dans les directions longitudinale et transversale sur la fragilisation, résultant de la fixation dans les inclusions non métalliques du soufre se trouvant dans l'acier sous forme d'impureté. Le procédé d'élaboration de l'acier est simple du point de vue technologique. Il est mis en oeuvre comme suit. L'acier est élaboré au four à arc basique. Pour composer la charge on utilise des matières pures quant au phophore, à l'arsenic et à l'étain riblons, fonte spéciale, ferroalliages (ferrovanadium, ferromolybdène, ferrosilicium), silicocalcium et métaux purs:manganèsc, nickel, et aluminium). Le processus dgélaboration de l'acier comprend les opérations suivantes enfournement de la charge (riblons et débris d'électrodes) et fusion addition de chaux, de fluorine et de minerai de fer; effervescence, déphosphoration et chauffage du métal; renouvellement du laitier oxydant; désoxydation de l'acier liquide et du laitier au ferrosilicium et au ferromanganèse; introduction des éléments d'alliage; désoxydation définitive à l'aluminium et modifica tion au calcium. Pour mieux fixer les idées, plusieurs exemples concrets mais non limitatifs de réalisation de l'invention sont décrits ci-après Exemple 1. On élabore un acier ayant la composition pondérale suivante carbone 0,08 silicium 0,10% manganèse 0,60% nickel 1,7% molybdène 0,4% vanadium 0,03% aluminium 0,02% azote 0,005% phosphore 0,014% arsenic 0,003% étain 0,001% calcium 0,005% L'acier est élaboré au four à arc basique. Pour la composition de la charge on utilise des matières pures quant au phosphore, à l'arsenic et à l'étain; fer de la marque connue sous la dénomination "Armco", débris d'électrodes, fonte spéciale, ferroalliages, silicocalcium, à 15-30% de calcium, manganèse métal pur, nickel métal pur et aluminium métal pur. On enfourne la charge , on la fait fondre et on la chauffe jusqu'à une température de 1530 à 15800C. Après la fusion on ajoute du minéral de fer et de la chaux; on brasse soigneusement le laitier oxydant obtenu avec l'acier liquide.Ensuite on évacue le laitier et on rajoute au bain du minerai de fer et de la chaux, après quoi on additionne du nickel et du ferromolybdène. On maintient en effervescence jusqu'à ce que la teneur de l'acier en carbone atteigne 0,08% en poids. Ensuite on évacue le laitier oxydant du four, on ajoute de la chaux, de la fluorine, de l'aluminium, du ferrosilicium, du manganèse, du ferrovanadium. On chauffe l'acier liquide jusqu'à une température de 1610 à 16400C et on procède à la coulée. On ajoute à l'acier se trouvant dans la poche du silicocalcium. Exemples 2 à 6 Le tableau 1 donne les compositions daciers élaborés par un procédé analogue à celui décrit dans l'exemple 1. Le tableau 2 indique les propriétés mécaniques de l'acier conforme à l'invention (exemples 1 à 6) et celles de l'acier connu (à teneur en nickel de 1,7 à 2,7% en poids) après un traitement thermique optimal. Le tableau 2 montre que l'acier conforme à l'invention, à niveau de propriétés de résistance mécanique égal à celui de l'acier connu, a une résistance à la fragilisation, lors de séjours prolongés aux températures élevées, qui est plus grande que celle de l'acier connu. Ainsi, si pour l'acier connu ltélévation de la température critique de fragilité après séjour de 10 000 heures aux températures de 350, 400 et 4500 est de 10 à 20, 25 à 45 et 50 à 700C, respectivement, pour l'acier conforme à l'invention, le décalage de la température critique de fragilité à l'issue des mêmes séjours à des températures allant jusqu'à 45O0C ne dépasse pas 200C respectivement. TABLEAU 1. Composition chimique de l'acier conforme à l'invention (% en poids) Nb de l'exemple C Si Mn Ni Mo V Al 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0,08 0,10 0,60 1,7 0,4 0,03 0,02 2 0,10 0,25 - 0,91 2,2 0,62 0,05 0,05 3 0,14 0,37 1,40 2,7 0,70 0,07 0,07 4 0,11 0,15 0,76 2,07 0,46 0,06 0,06 5 0,13 0,18 0,95 2,3 0,62 0,03 0,03 6 0,09 0,31 0,92 2,38 0,55 0,04 0,63 Tableau 1 (suite) N de l'exemple N P As Sn Ca (Ni+Mn)'P 1 9 10 11 12 13 14 1 0,005 0,014 0,003 0,001 0,005 0s036 2 0,008 0,011 0,006 0,003 0,04 0,036 3 0,012 0,008 0,008 0,005 0,015 0,033 4 0,006 0,012 0,006 0,002 0,06 0,034 5 0,005 0,010 0,003 0,005 0,11 0,033 6 0,007 0,008 0,005 0,002 0,03 0,026 Tableau 2 Propriétés mécaniques de l'acier conforme à l'invention et de l'acier connu N de Section Régime de Tempé- Propriétés l'exem- de l'é- traitement rature mécaniques ple bauche thermique de l'es- # 0,2 6r forgée, sai, C kg/mm mm 1 2 3 4- - 5 6 1 200 Trempe à 20 41,2 60,2 l'eau à 42,7 62,0 partir de 350 36,3 55,0 9200C + 38,0 56,2 revenu à 400 34,3 53,8 6500C 36,4 55,6 450 33,0 50,9 34,2 53,1 2 200 Trempe à 20 45,1 63,2 l'eau à 46,8 65,1 partir de 350 40,3 59,6 9200C + 41,8 61,2 revenu à 400 37,9 56,9 6500C 40,1 59,4 450 37,1 55,4 39,3 58,2 3 200 -"- 20 53,3 69,9 54,8 71,4 350 48,8 64,0 50,2 66,8 400 46,9 6328 48,2 65,7 450 44,9 62,2 45,8 64,3 Tableau 2 (suite) 2 3 4 5 6 4 200 Trempe à par- 20 45 64 tir de 9200C+ 47 66 revenu à 6500C 350 39 59 42 63 400 36 54 39 60 450 36 56 37 59 5 -"- -"- 20 47 67 5Q 69 350 40 61 43 63 400 38 57 41 60 450 38 56 40 58 6 200 -" 20 43 62 45 65 350. 39 57 40 60 400 37 55 40 59 450 36 55 38 57 Connu 200 -"- 20 40,8 59,6 51,7 68,4 350 36,6 54,3 46,3 64,5 400 34,7 53,0 45,1 62,4 450 32,5 51,6 43,3 60,8 N de Propriétés T c ( C) après séjours l'exemple mécaniques Tc, C à température élevée A # K à l'état 3500C, 4000C, 4500C - - -- ,nitial 10000 h 10000h 10000h % .kg.m cm 1 7 8 9 10 11 12 13 26,0 75,2 5,5 0 0 10 15 28,8 78,4 7,2 +10 0 15 20 23,0 72,0 14,0 24,5 74,3 22,1 22,6 72,3 12,6 25,2 74,2 21,6 22,6 70,6 13,6 25,0 71,3 20,8 2 23,1 68,1 5,5 -10 0 10 15 24,8 70,2 19,6 0 0 15 20 20,1 63,8 13,8 22,0 65,3 26,0 19,8 62,0 14,4 21,3 64,2 23,2 18,3 62,0 14,0 20,8 63,1 20,8 3 18,9 60,3 6,5 -20 0 10 15 21,3 63,1 20,5 -10 0 15 20 18,3 57,8 15,0 19,9 58,9 24,8 17,5 56,9 13,6 18,4 58,0 23,1 16,8 56,0 13,0 17,6 58,2 22,0 (suite) 17 8 9 10 11 12 13 4 22 66 15 -10 0 15 15 24 68 19 0 0 20 20 18 62 14 21 64 21 18 59 15 20 62 20 17 58 14 20 62 20 5 20 62 14 -15 0 10 10 22 64 18 0 0 15 20 19 60 16 21 64 22 18 60 13 20 62 21 19 59 14 21 62 20 6 24 70 10 -5 0 0 O 26 75 15 +5 0 0 20 22 66 12 25 71 20 21 64 13 24 70 22 19 63 Il 26 68 21 Connu 19,4 59,2 5,8 -20 10 25 50 27,2 78,0 20,0 +15 20 45 70 18,4 58,3 14,1 23,6 72,1 25,3 17,9 57,4 13,3 24,0 71,8 22,4 17,0 58,1 13,0 23,3 70,2 21,6 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 de la protection comme revendiquée. REVENDICATION Acier du type contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du nickel, du molybdène, du vanadium, de l'aluminium, de l'azote, du phosphore, du fer, caractérisé en ce qu'il contient aussi de l'arsenic, de l'étain et du calcium, sa composition pondérale étant la suivante carbone 0,08 à 0,14% silicium 0,10 à 0,37% manganèse 0,6 à 1,4% nickel 1,7 à 2,7% molybdène 0,4 à 0,7% vanadium 0,03 à 0,07% aluminium 0,02 à 0,07% azote 0,005 à 0,012% phosphore 0,008 à 0,015% arsenic 0,003 à 0,008% étain 0,001 à 0,005% calcium 0,005 à 0,15% fer le solde la somndes pourcentages pondéraux de nickel et de manganèse et le pourcentage pondéral de phosphore étant liés par la relation suivante (Ni + Mn ) P