Brevet FR2492846A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne le domaine de la métallurgieeLanotamment 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, par exemple de cuves de réacteurs nucléaires de grande puissance. Pour garantir l'exploitation sans risques du matériel des centrales nucléaires, les aciers employés pour fabriquer les cuves des réacteurs doivent satisfaire à une série de prescriptions : les valeurs de la charge derupture, de la plasticité, de la résilience, de la résistance à la rupture fragile, de la résistance à la fragilisation due aux actions thermiques, doivent être élevées. On connaît un acier ayant la composition pondérale suivante carbone 0,13 à 0,65% manganèse 0745 à 1,2% silicium 0,1 à 0,4% nickel chrome molybdène 0,05 à 0,6% vanadium et/ou niobium et/ou titane 0,01 à o,îs% plomb 0,05 à 0,35% aluminium c 0,1% fer le solde. Cet acier assure le niveau des propriétés de résistance mécanique et de plasticité nécessaire pour les cuves du matériel des centrales nucléaires. Toutefois, il a une trempabilité insuffisante quand sa section dépasse 300 mm, ainsi qu'unie résilience insuffisante, aussi ne peut-on l'employer pour les éléments de grandes dimensions, par exemple pour les récipients sous pression à forte épaisseur de paroi (cf.brevet des Etats-Unis n 3 424 576). On connatt aussi un acier qui est employé pour la fabrication de structures soudées, par exemple de cuves de réacteurs nucléaires. La composition pondérale de cet acier est la suivante carbone 0,13 à 0,18% n silicium 0,17 à 0,37%, manganèse 0,30 à 0,60% , chrome 1,7 à 2,4%} nickel 1,0 à 1,5%, molybdène 0,5 à 0,7%, vanadium 0,05 à 0,12%, aluminium 0,01 à 0,0351 azote 0,005 à 0,12, cuivre 0,11 à 0,20%, arsenic 0,0035 à 0,0055%, fer le solde, avec en outrewsous forme-d'impuretés, jusqu'à 0,02% en poids de phosphore et 0,02% en poids de souffre (certificat d'auteur d'invention URSS n 532 261). Cet acier satisfait aux prescriptions présentées à ses propriétés pour la fabrication des cuves soudées des réacteurs nucléaires d'une puissance allant jusqu'à 1 million de kW. Toutefois, dans le cas de fabrication de cuves de réacteurs d'une puissance supérieure à 1 million de kW, nécessitant des sections supérieures à 500 mm, l'acier connu à une charge de rupture insuffisante. Cet inconvénient peut être supprimé en augmentant les pourcentages d'éléments d'alliage, afin d'augmenter la trempabilité bainitique de l'acier. Toutefois, ceci s'accompagne d'un accroissement de la tendance de acier à la fragilisation lors des actions thermiques : lors d'un refroidissement ralenti après un revenu poussé et lors de longs séjours à des températures élevées. On s'est donc proposé de créer un acier qui aurait une trempabilité bainitique complète et un haut niveau de propriétés de résistance mécanique et de plasticité, dans les sections de 500 à 700 mm des éléments de grandes dimensions, constituarit les cuves des réacteurs nucléaires d'une puissance allant jusqu'à 2 millions de kW, tout en conservant sa résistance à la fragilisation lors des actions thermiques. La solution consiste en un acier contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du chrome, du nickel du molybdène, du vanadium, de l'azote, de l'aluminium, du cuivre, de l'arsenic, du phosphore, du fer, dans lequel d'après l'invention, il y a aussi de l'antimoine et de l'étain, la composition pondérale étant la suivante carbone 0,13 à 0,18 %, silicium 0,17 à 0,37 %, manganèse 0,30 à 0,60 %, chrome 1,70 à 2,50 %, nickel 2,10 à 2,50 %, molybdène 0,50 à 0,70 %, vanadium 0,05 à 0,12 %, azote 0,005 à 0,012 %, aluminium 0,01 à 0,035 %, cuivre 0,11 à 0,020 %, arsenic 0.003 à 0,008 %, phosphore 0,003 à 0,012 %, antimoine 0,001 à 0,005 %, étain 0,001 à 0,004 %, fer le solde les teneurs en antimoine, en étain et en phosphore étant telles qu'elles sastisfont à la relation Sn + 2Sb + 3P # 0,039 % en poids. Les constituants et leurs pourcentages indiqués assurent à l'acier la combinaison de propriétés nécessaires. Ainsi, la limite supérieure choisie pour le carbone, égale à 0,18 % en poids,est lide au fait que l'augmentation de la teneur en carbone au-dessus de cette valeur provoque un abaissement des caractéristiques technologiques de l'acier;cn premier lieu, elle altère la soudabilité de l'acier,en provoquant l'apparition de fissures tant chaudes que froides.En outre, l'augmentation de la teneur en carbone au-dessus de 0,18 % en poids peut provoquer l'alUration des propriétés de ténacité de l'acier et l'accroissement de la température oritique de fragilité. Une teneur en carbone inférieure à C,13 o/o en poids n'assure pas le niveau prescrit des caractéristiques de résistance mécanique de l'acier, surtout quand les sections sont fortes. Ceci est lié au fait que le carbone est un élément durcissant la solution solide et assurant la formation d'une phase carbure. Une teneur en silicium inférieure à 0,17nô en poids n'assure pas une bonne désoxydation de l'acier, ce qui aboutit à l'élaboration d'un lingot qui n'est pas dense. L'augmentation de la teneur en silicium au-dessus de 0,37% en poids provoque 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 0,30% en poids peut être la cause d'une désoxydation et d'une désulfuration insuffisantes de l'acier, car le manganèse contribue à l'épuration de l'acier liquide en réagissant avec le soufre. La formation de sulfures de manganèse abaisse la tendance de l'acier à la fissuration à chaud lors du soudage. L'aug- mentation de la teneur en manganèse au-dessus de 0,60% en poids, en présence de 1,7 à 2,5,4 en poids de chrome, provoque une fragilisation de l'acier et de surcroitol'acier à dans ce cas une basse plasticité et sa tendance à la fragilité de revenu s'accrott. Si la teneur en chrome est inférieure à 1,7% en poids, l'acier n'a plus sa-trempabilité bainitique à coeur quand la section est de 500 à 700 m. L'augmentation de la teneur en chrome au-dessus de 2,5% en poids altère les caractéristiques technologiques de l'acier et peut abaisser la ténacité de l'acier par suite de la formation de carbures spéciaux. La limite inférieure de la teneur en nickel, égale à 2,10% en poids, assure la trempabilité à coeur de l'acier en fortes sections et le niveau requis des propriétés de résistance mécanique et de ténacité. Si la teneur en nickel est augmentée au-dessus de 2,5% en poids, l'acier peut être affecté d'une fragilité de revenu réversible, altérant sa soudabilité. La limite inférieure de la teneur en vanadium, égale à 0,05% en poids , assure une bonne désoxydation et un bon dégazage de l'acier, llobtention d'une structure primaire et d'une structure secaidaire fines, une résistance suffisante de l'acier à l'adoucissement lors du revenu. La formation de carbures de vanadium abaisse la tendance à la croissance du grain aux températures élevées. L'augmentation de la teneur en vanadium au-dessus de 0,12% en poids accrolt notablement la probabilité de fissuration lors du réchauffage après soudage. Si la teneur en molybdène est inférieure à 0,50% en poids, l'acier peut être enclin à la fragilité réversible de revenu et avoir une résistance abaissée à l'adoucissement lors du revenu. L'augmentation de la teneur en molybdène audessus de 0,70% en poids altère les propriétés de ténacité et la soudabilité de l'acier. Une teneur en azote non inférieure à 0,005% en poids assure l'obtention d'un acier à grains fins, car l'azote, en réagissant avec l'aluminium, constitue des nitrures d'aluminium qui s'opposent à la croissance du grain. Si la teneur en azote dépasse 0,012% en poids, l'acier et les soudures réalisées sur un tel acier peuvent être enclins au vieillis- sement de déformation ou thermique. La diminution de la teneur en aluminium au-dessous de 0,01% en poids ne permet pas d'atteindre une désoxydation complète et une fixation complète de l'azote dans les nitrures d'aluminium. Si la teneur en aluminium est supérieure à 0,035% en poids, l'acier se trouve encrassé par les oxydes d'aluminium, ce qui nuit à sa ténacité et sa plasticité. Les limites inférieures des teneurs en cuivre, en arsenic et en phosphore sont déterminées par les possibilités technologiques lors de la fabrication de l'acier, et leurs limites supérieures sont déterminées de façon à assurer une ténacité suffisante de l'acier. Comme on l'a indiqué plus haut, l'acier conforme à l'invention à une teneur en nickel (2,1 à 2,5% en poids) plus forte que celle de l'acier connu, dont la teneur en nickel est de 1,0 à 1,5% en poids. La teneur accrue en nickel augmente la trempabilité de l'acier et permet d'ac croltre ses caractéristiques de résistance mécanique dans les sections de 500 à 700 mm, ainsi que d'augmenter la résilience et d'abaisser la tendance de l'acier à la rupture fragile.En outre, l'acier conforme à l'invention contient de l'antimoine, à un taux de 0,001 à 0,005% en poids, et de l'étain, à un taux de 0,001 à 0,004% en poids, leur pourcentages pondéraux et celui du phosphore étant choisis de façon à satisfaire à la relation Sn + 2Sb + 3P Les coefficients figurant dans la relation indiquée auprès de Sn, Sb et P, tiennent compte de l'influence de ces éléments sur la fragilisation de l'acier. Le procédé d'élaboration de l'acier est simple au point de vue technplogique Il est mis en oeuvre comme suit. L'acier est élaboré aux fours Martien basique et acide, ou bien au four à arc basique. Pour constituer la charge on utilise des matières pures quant au phosphore et aux additions métalliques (antimoine, étain) : riblons, fonte spéciale, ferroalliage (ferrochrome, ferrovanadium, ferromolybdène, ferrosilicium) et métaux purs (manganèse, nickel, et aluminium). Le processus d'élaboration de l'acier aux fours Martin comprend les opérations suivantes chargement dans un four basique des riblons et de la fonte avec de la chaux et du minerai de fer, fusion de la charge; addition de minerai de fer et de chaux au bain pour la mise en effervescence; effervescence du métal liquide, déphosphoration et désulfuration; renouvellement du laitier formé; transvasement du produit liquide obtenu dans un four Martin acide; continuation de l'effervescence et du chauffage du métal liquide, auquel on ajoute ensuite les éléments d'alliage désoxydation de l'acier obtenu. Le processus d'élaboration de l'acier au four à arc comprend les opérations suivantes: enfournement des riblons avec des débris d'électrodes et fusion de la charge; addition de chaux, de fluorine et de minerai de fer, effervescence et déphosphoration du métal liquide; chauffage du métal liquide; renouvellement du laitier oxydant (évacuation du vieux laitier et élaboration d'un laitier neuf avec de la chaux et de la fluorine) et introduction d'une partie des éléments d'alliages (Ni, Mo); désoxydation de l'acier et du laitier au ferrosilicium et au ferromanganèse; introduction des éléments d'alliages, suivie de la désoxydation définitive à l'aluminium. Pour une meilleure compréhension de l'invention on décrit ci- apres des exemples de réalisation concrets mais non limitatifs. Exemple 1. On élabore un acier ayant la compositon pondérale suivante carbone 0,13%; silicium 0,17%, manganèse 0,30, chrome 1,7% / nickel 2,1%, molybdène 0,5% , vanadium 0,05% , azote 0,005%, aluminium 0,01%, cuivre 0,11% J arsenic 0,003% phosphore 0,012%, antimoine 0,001%, étain 0,001% i fer le solde. L'acier est élaboré au four à arc basique. Les matières de départ utilisées de la marque sont : ferde la merque "Armco']débris d'électrodes et ferroalliages à basse teneur en impuretés. On enfourne la charge (fer "Armco" et débris d'électrodes), on la fait fondre et on la chauffe jusqu'à une température de 1550 C. Après la fusion on ajoute du minerai de fer et de la chaux. On brasse soigneusement la laitier oxydant obtenu avec l'acier liquide. Ensuite, à une températeure de 1550 à 15600C, on évacue le laitier du four et on ajoute au bain du minerai de fer, de la chaux, du nickel et du ferromolybdène. On tient en effervescence jusqu'à ce que la teneur de l'acier en carbone atteigne 0,13% en poids. Ensuite on évacue le laitier du four, on ajoute de la chaux, de la fluorine, de l'aluminium, du ferrosilicium, du ferromanganèse, du ferrochrome et du ferrovanadium. On chauffe l'acier liquide jusqu'à une température de 1630 à 16600C et-on procède à la coulée. On coule l'acier en gros lingots à rapport hauteur/diamètre égal à 1,43. Exemples 2 à-6. Le Tableau 1 donne les compositions d'aciers 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 1,0 à 1,5% en poids) après un traitement thermique optimal. Le Tableau 2 montre que l'acier conforme à l'invention a une charge de rupture, une plasticité et une ténacité plus élevées que celles de l'acier connu ( 1,5 % en poids de nickel), et que, en outrez il a une température critique de fragilité plus basse, sa résistance à la fragilîsation lors du revenu avec refroidissement ralenti et lors de séjours prolongés à des températures élevées, caractérisée par l'élévation de la température critique de fragilité, ne le cédant en rien à celle de l'acier connu. Tableau 1. Composition chimique de l'acier conforme à l'invention en poids. N d'exemple C Mn Si Cr Ni Mo V N Al 1 0,13 0,30 0,17 1,7 2,1 0,5 0,05 0,005 0,01 2 0,15 0,45 0,27 2,1 2,3 0,6 0,09 0,009 0,022 3 0,18 0,60 |0,37 2,5 2,5 0,7 0,12 0,012 0,035 4 4 0,16 0,38 0,29 1,75 2,2 0,66 0,07 0,006 0,03 5 5 0,18 0,51 0,19 1,91 2, 0,52 0,10 0,006 0,013 6 0,15 0,58 0,2( 2,4 2,4 0,54 0,05 0,010 0,018 Tableau 1 (suite) Cu As P Sb Sn Sn+2Sb+3P 0,11 0,003 0,012 0,001 0,001 0,039 0,16 0,005 0,010 0,002 0,004 0,038 0,20 0,008 0,009 0,005 0,002 0,039 0,12 0,007 0,008 0,004 0,004 0,036 0,14 0,008 0,011 0,002 0,002 0,039 0,13 0,004 0,007 0,003 0,002 0,029 Tableau 2. Proprétés mécaniques de l'acier Acier Section Régime du Tempé- Proprités de traitement rature # 0,2 #r l'ébau- thermique des che essais forgée, OC MPa mm 1 2 3 4 5 6 Conforme à l'in-: Invention Exemple I 650 Austéniti- 20 549 647 sation à 568 667 900 C,ref roidisse- 350 470 549 ment à 480 559 2000C/h, revenu à 650 C 2 650 Austéniti- 20 578 676 sation à 588 686 900 C, refroidis sement à 350 510/519 578/598 200 C/h, revenu à 6500C 3 650 -"- 20 618/637 696/735 350 529 618 549 637 4 600 Austéniti- 20 578/618 676/706 sation à 900 C, re froidisse- 350 480/500 559/578 ment à 200 C/h, revenu à 6500C - 5 - 630 - " - 20 598 686 618 716 550 490 549 510 588 Tableau 2 (suite) 1 2 3 4 5 6 6 700 Austénitisa- 20 588 706 tion à 9000C 637 745 refroidisse ment à 150 C/h, 350 470 568 revenu à 6500C 490 588 Connu 650 - " - 20 470 559 539 618 350 412 490 451 539 Tableau 2 (suite) mécaniques Tc, C #To, C A # K Refroi- Refroi- Refroi- Refroidisse % disse- disse- dissement ement après J ment ment après revenu dans cm après après revenu l'eau suivi revenu revenu dans d'un séjour dans 10 C/h l'eau, à + 400 C l'eau suivi pendant d'un 10000 h séjour à +350 C pendant 10000 h 7 8 9 10 11 12 13 21 79 196 -48 15 0 10 22 74 225 -39 79 0 15 16 70 176 17 73 196 19 68 176 -42 18 0 12 21 70 196 -35 22 0 18 15 65 147 17 67 186 18 64 157 -32 20 0 15 19 67 176 -28 25 0 20 15 59 137 16 61 196 19/21 72/75 176/216 -40/-45 15/25 0/0 10/20 15 68 147 17 70 186 19/20 67/71 176/196 -35/-45 20/30 0/15 15/25 15 64 137 18 66 167 17/20 68/70 167/196 -35/-40 15/20 0/10 15/20 16/18 64/68 147/176 Tableau 2 (suite) 7 8 9 10 Il 12 13 16 60 98 -15 20 0 13 19 147 0 30 10 22 12 48 78 75 59 127 Nota.Pour l'acier conforme à l'invention, on donne au numérateur et au dénominateur, respectivement, la valeur minimale et la valeur maximale des propriétés, déterminées d'après les résultats des essais de diffétentes éprouvettes de la composition donnée; pour l'acier connu, on donne au numérateur et au dénominateur, respectivement, la valeur minimale et la valeur maximale des propriétés, déterminées d'après les résultats des essais d'éprouvettes à teneurs limites en constituants, dans les plages de la composition de la nuance. T c est déterminée d'après la comppsante ductile de 50% dans la cassure. 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 noyens dé^rits, ainsi que lellrs combineisons, si cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATION Acier contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du chrome, du nickel, du molybdène, du vanadium, de l'azote de l'aluminium, au cuivre, de l'arsenic, du phosphore et du fer, caractérisé en ce qu'il contient aussi de l'antimoine et de l'étain1 la composition pondérale de l'acier étant la suivante arbone 0,13 à 0,18% silicium 0,17 à 0,37 ,4 manganèse 0,30 à 0,60% chrome 1,70 à 2,50% nickel 2,10 à 2,50% molybdène 0,50 à 0,70% vanadium 0,05 à 0,12% azote 0,005 à 0,012% aluminium 0,01 à 0,035% cuivre 0,11 à 0,20% arsenic 0,003 à 0,008% phosphore 0,003 à 0,012% antimoine 0,01 à 0,005% étain 0,001 à 0,004% fer le solde, les teneurs en antimoine, en étain et en phosphore étant hoisies de façon à satisfaire à la relation Sn + 2Sb + 3P