Brevet FR2509328A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un acier inoxyda- ble ayant une haute résistance mécanique, une excellente résistance à la fissuration par corrosion intergranulaire lorsqu'il a été travaillé à froid et dans les soudures quand l'acier est soudé après avoir été travaillé à froid, ainsi qu'une excellente capacité de façonnage. Les aciers inoxydables d'une haute résistance mé- canique présentent des propriétés de résistance à la cor- rosion, ce qui est une des caractéristiques propres à l'acier inoxydable, ainsi que des propriétés d'extrêmement grande résistance mécanique Les aciers inoxydables d'une haute résistance mécanique' devraient évidemment être d'une haute résistance mécanique Mais on désire beaucoup aussi qu'ils aient une excellente capacité de façonnage et une excellente soudabilité, y compris diverses propriétés des soudures, car ils sont généralement soumis à des opéra- tions de travail et de soudage quand on les utilise Il est évident aussi qu'ils doivent avoir une excellente ré- sistance à la corrosion, qui est une des caractéristiques propres de l'acier inoxydable Il n'est pas facile d'obte- nir toutes ces propriétés simultanément (une des difficul- tés est l'incompatibilité de la résistance mécanique et de la capacité de façonnage) Toutefois, il y a certains do- maines dans lesquels on a besoin d'aciers inoxydables d'une haute résistance mécanique ayant dans une mesure satisfai- sante toutes les propriétés mentionnées ci-dessus Un de ces domaines est celui du matériel roulant. En raison de leur excellente résistance à la cor- rosion, on utilise actuellement de plus en plus d'aciers inoxydables d'une haute résistance mécanique pour le ma- tériel roulant, tandis qu'on utilisait largement dans le passé l'acier au carbone ordinaire L'acier au carbone or- dinaire n'est pas satisfaisant en ce qu'il a des proprié- tés inférieures de résistance à la corrosion et de résis- tance mécanique, et donc il nécessite des frais considé- rables pour son entretien, tel que remise en peintures pé- riodiques, etc, et on doit utiliser des tôles d'une épais- seur considérable pour compenser sa résistance mécanique inférieure, ce qui rend les véhicules plus lourds Cela va à l'encontre des exigences générales actuelles visant à économiser la consommation des matières et de l'énergie. Pour remédier à ces inconvénients de l'acier au carbone ordinaire, on désire utiliser des aciers inoxydables ayant une excellente résistance à la corrosion en même temps qu' une haute résistance mécanique Quand on utilise de l'acier inoxydable, on peut rendre le matériel roulant plus léger en utilisant des tôles plus minces et on peut éliminer la nécessité de laborieux travaux d'entretien, tels que de peinture De plus, l'acier inoxydable est plus durable que l'acier au carbone ordinaire, et son utilisation satisfait avantageusement les exigences d'économies de matières et d'énergie à divers points de vue Ainsi, on observe actuel- lement une tendance au remplacement de l'acier au carbone ordinaire par l'acier inoxydable d'une haute résistance mécanique pour la construction du matériel roulant, et on s'attend à ce que cette tendance s'accentue. Quand on construit des véhicules pour chemins de fer, des tôles laminées à froid de diverses épaisseurs sont mises sous des formes compliquées, et en conséquence les tôles doivent être d'une haute résistance mécanique et en même temps doivent présenter une bonne ductilité et une bonne capacité de façonnage après avoir été laminées à froid De plus, les tôles mises à la forme voulue sont as- semblées par soudage, de sorte qu'elles doivent avoir aus- si une excellente soudabilité En ce qui concerne la capa- cité de façonnage, il est important que les tôles aient des propriétés satisfaisantes d'allongement et de flexion. En ce qui concerne la soudabilité, la résistance mécanique des soudures est évidemment le facteur le plus important. Mais la fissuration par corrosion intergranulaire causée par la sensibilisation des soudures présente une importan- ce spéciale Comme on l'a observé ci-dessus, les matériaux pour véhicules de chemins de fer doivent être pourvus de diverses caractéristiques simultanément et doivent être plus satisfaisants que dans le cas d'aciers pour usage gé- néral Plus particulièrement, il est nécessaire que les ma- tériaux pour véhicules de chemins de fer aient une excel- lente capacité de façonnage, des propriétés extrêmement bon- nes concernant l'écrouissage (pas plus de 0,8 pour le rap- port de déformation permanente (rapport de la contrainte de déformation permanente à la contrainte de rupture par trac- tion)) et une excellente résistance à la fissuration par corrosion intergranulaire dans les soudures,-en plus d'une haute résistance mécanique. Bien que les matériaux actuellement utilisés pour des véhicules de chemins de fer soient satisfaisants enr ce qui concerne la résistance mécanique et la capacité de fa- çonnage, ils posent des problèmes dans beaucoup de cas en ce qui concerne la fissuration par corrosion intergranu- laire Il est connu que cette fissuration est localisée aux régions sensibilisées de la zone ayant été soumise à la chaleur de soudage, et progresse le long des limites des grains Cela veut dire que cette fissuration est due à la haute sensibilité à la corrosion intergranulaire de la ma- tière, qu'elle soit causée par la pure corrosion intergra- nulaire ou par la corrosion sous tension résultant de la déformation de soudage résiduaire On pense que la raison pour laquelle les aciers inoxydables courants d'une haute résistance mécanique ont une haute sensibilité à la corro- sion intergranulaire est que les aciers inoxydables cou- rants d'une haute résistance mécanique contiennent de 0,05 à 0,12 % de carbone pour que l'on obtienne une haute résis- tance mécanique et une bonne susceptibilité de façonnage, et qu'ils sont utilisés après avoir été laminés à froid. C'est-à-dire que le fait en lui-même qu'ils ont une haute teneur en carbone et le fait que la haute teneur en carbo- ne favorise la susceptibilité à la corrosion intergranulai- re quand la matière est laminée à froid expliquent la haute. sensibilité de ces aciers à la fissuration par corrosion intergranulaire. Le but de la présente invention est de fournir un acier inoxydable d'une haute résistance mécanique exempt de la haute sensibilité à la fissuration par corrosion inter- granulaire des soudures, qui est inhérente dans les aciers inoxydables et courants d'une haute résistance mécanique, et possédant des propriétés de résistance mécanique, de ca- pacité de façonnage, etc, supérieures à celles dés aciers- inoxydables courants d'une haute résistance mécanique. A cet effet, principalement en vue de réduire la sensibilité à la corrosion intergranulaire des soudures et la sensibilisation des t 8 les laminées à froid, la Demande- resse a effectué une étude expérimentale poussée en vue de déterminer si la sensibilité et la sensibilisation mention- nées ci-dessus peuvent être réduites, avec conservation de la haute résistance mécanique et de la bonne capacité de façonnage, en réduisant la teneur en carbone et en ajoutant à sa place de l'azote qui, comme le carbone, renforce la phase de solution solide On a trouvé qu'en réduisant la teneur en carbone et en ajoutant de l'azote, on peut rédui- re la sensibilisation des t 8 les-travaillées à froid, c'est- à-dire la sensibilité à la fissuration par corrosion inter- granulaire de l'acier inoxydable courant de haute résis- tance mécanique tout en conservant la résistance mécanique et la capacité de façonnage nécessaires pour les matériaux pour véhicules de chemins de fer, si la composition de l'acier est ajustée en ce qui concerne la stabilité de la phase d'austénite. Sur la base de cette découverte, on a déterminé la composition d'un acier inoxydable d'une haute résistance mécanique ayant une excellente résistance à la fissuration par corrosion intergranulaire sans sacrifier les propriétés de résistance mécanique ni la capacité de façonnage Le do- maine particulier de composition (% en poids) de l'acier inoxydable d'une haute résistance mécanique ainsi trouvé avec composition ajustée est le suivant: C: pas plus de 0,04 % N: 0,04 0,20 % Si: pas plus de 1,0 % Mn: pas plus de 2,0 % Ni: 6,0 10,0 % Cr: 16,0 20,0 % Complément: Feet impuretés introduites inévita- blement lors de l'élaboration de l'acier o la quantité Ay définie comme suit: At= (%Ni) + 0,60 (%Cr) + 0,70 (% Mn) + 13,0 (%C + %N)-7 a une valeur de 19-21. Le procédé de production de l'acier de la présen- te invention n'est pas particulièrement différent du pro- cédé de production des aciers inoxydables ordinaires C'est- à-dire que la teneur en carbone est réduite à 0,04 % ou moins sous la pression atmosphérique ou par dégazage sous vide On introduit de l'azote dans l'acier par addition de nitrure de manganèse ou de nitrure de chrome sous l'atmos- phère ou sous une atmosphère d'argon, ou encore en insuf- flant de l'azote directement dans l'acier fondu Après cou- lée de la masse fondue, l'acier est mis sous la forme de tôles laminées à froid par le même procédé qu'avec l'acier inoxydable ordinaire. Les raisons de la définition du domaine de compo- sition ci-dessus sont les suivantes: C et N: La propriété de résistance à la corrosion intergranulaire des tôles laminées à froid n'est presque pas influencée par N, mais est déterminée par la teneur en C La teneur en C est limitée à pas plus de 0,04 % parce que si elle est supérieure à cette valeur, la sensibilité à la corrosion Intergranulaire devient remarquable L'azote est un des constituants caractéristiques de l'acier de la présente invention Comme mentionné ci-dessus, N, un e 1 é- ment qui, comme le carbone, renforce la phase de solution solide, est ajouté au lieu de C afin d'améliorer la résis- tance à la corrosion intergranulaire En tenant compte de la production de soufflures quand l'acier se solidifie, et d'autres facteurs dans la fabrication de l'acier, la limite supérieure de la teneur en N est fixée à 0,20 % Par ail- leurs, la limite inférieure est définie comme étant de 0,04 %, car la résistance mécanique, la capacité de façon- nage et la ductilité désirées ne peuvent pas être obtenues simultanément avec une teneur en N de moins de 0,04 %. Si: Si est un élément essentiel qui est ajouté à l'acier comme agent de désoxydation au cours de la fabri- cation de l'acier Toutefois, la teneur en Si est limitée à pas plus de 1,0 %, car une teneur supérieure à cette va- leur conduit à la formation d'une phase de ferrite $ et détériore la susceptibilité de façonnage à chaud de l'acier. Mn: Mn est ajouté à l'acier comme agent de déso- xydation et comme agent améliorant la capacité de façonnage. Toutefois, si cet élément est ajouté en grande quantité,la qualité de surface des tôles est dégradée par de la calami- ne d'une nature indésirable formée au cours du recuit, qui est une étape indispensable dans la fabrication La teneur en Mn est limitée à pas plus de 2,0 %. Cr: La teneur en Cr est définie comme étant de 16,0 20,0 % Il faut au moins 16 % de Cr pour que l'on obtienne la propriété de résistance à la corrosion inhéren- te à l'acier inoxydable Par ailleurs, l'addition de 20 % ou plus de Cr augmente remarquablement la formation de pha- se de ferrite 8, entraînant une détérioration de la capa- cité de façonnage à chaud. Ni: Ni, qui inhibe la formation de la phase de ferrite 68, doit être ajouté en quantité'croissante quand la teneur en Cr augmente Toutefois, si une grande quanti- té de Ni est incorporée, la phase y est stabilisée dans une mesure excessive et ainsi le rapport de déformation perma- nente tion de la capacité de façonnage et une élévation du co t de fabrication Compte tenu de la-stabilité de l'austénite, -la teneur en Ni est définie comme étant de 6,0 10,0 %. Stabilité de l'austénite: Dans la classe des aciers inoxydables austénitiques métastables, à laquelle l'acier de la présente invention appartient, une haute ré- sistance mécanique est obtenue par durcissement d O à la transformation de la phase d'austénite en martensite quand la matière est travaillée aussi bien que par écrouissage proprement dit L'indice de stabilité de l'austénite-A*Y défini comme suit: Ay r= (%Ni) + 0,60 (%Cr) + 0,70 (%Mn) + 13,0 /_(%C)+ (%N) 7 doit être compris entre 19 et 21 Quand la valeur de Ay est inférieure à 19, la phase y est si instable que la propriété d'allongement de la matière est extrêmement fai- ble, ce qui signifie une faible ductilité et une faible capacité de façonnage, bien que l'on obtienne une haute résistance mécanique Par ailleurs, quand la valeur de Ay est supérieure à 21, la phase t est si stable que le rap- port de déformation permanente (c O 2/ 'B) devient élevé et la capacité de façonnage est réduite Ainsi, la quantité Ay' représentant la stabilité de l'austénite est définie comme ayant une valeur de 19 21 Le coefficient pour chaque constituant a été confirmé expérimentalement par la présen- te invention Des t 8 les-d'acier de diverses compositions ont été préparées par laminage à froid avec réduction de % et de 25 % dans les mêmes conditions autres que la réduction On a déterminé les quantités de martensite dans ces échantillons de t 8 le et on a recherché la corrélation entre les quantités de martensite et les compositions et on a déterminé le coefficient de chaque élément en prenant 1 comme coefficient pour Ni C'est-à-dire que les coeffi- cients dans la formule de Ay ont été déterminés d'après la relation entre la quantité de martensite produite par travail et la composition La raison pour laquelle l'indi- ce Ay de stabilité de l'austénite doit être compris dans cet intervalle apparattra d'après la description suivante. Dans la mise en oeuvre de la présente invention, une composition préférable est la suivante La teneur en C n'est pas supérieure à 0,03 %, la teneur en N est de 0,04 0,17 %, la teneur en Si n'est pas supérieure à 0,8 %, la teneur en Mn n'est pas supérieure à 1,75 % et les te- neurs concernant les autres éléments sont les mêmes que ci- dessus Dans une composition particulièrement préférable, la teneur en C est supérieure à 0,02 %, la teneur en N est Y de 0,04 -'0,12 %; la teneur en Si n'est pas supérieure à 0,7 %, la teneur en Mn-n'est pas supérieure à 1,5 % et les teneurs concernant les éléments restants sont les mêmes que ci-dessus. -Une valeur préférée pour A-y est comprise entre 19,5 et 20,5 %. L'invention va maintenant être expliquée en dé- tail à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés. Les figures 1 et 2 sont les diagrammes montrant la profondeur de corrosion intergranulaire dans des aciers de la présente invention et dans des aciers comparatifs qui ont été laminés avec réduction de 15 % et de 25 % et - ont été soumis à un vieillissement à 500 750 C. Des aciers selon la présente invention et des aciers comparatifs dont les compositions sont indiquées dans le Tableau 1 ont été forgés respectivement à partir d'un lingot de 50 kg et ont été mis sous la forme de tôles de 1,18 mm et de 1,33-mm d'épaisseur par laminage à froid et recuit classiques Ces tôles ont été finalement lami- nées à froid en tôles de 1,0 mm d'épaisseur avec réduction de 15 % et de 25 % (Dans la préparation mentionnée ci-des- sus d'échantillons de tôles d'acier, on a utilisé un for- geage comme travail à chaud La raison en-est qu'un petit lingot de 50 kg avait été préparé dans un laboratoire Dans l'opération industrielle, toutefois, les tôles sont produi- tes par-coulée, laminage à chaud et laminage à froid et re- cuit, comme bien connu) Ces tôles finales ont été soumises à l'essai de traction et à l'essai concernant les caracté- ristiques de sensibilisation à la température ambiante On a déterminé les caractéristiques de sensibilisation en sou- mettant les tôles laminées à froid ayant été réduites à 1,0 mm d'épaisseur à un traitement thermique de sensibilisation comprenant le chauffage des échantillons à 500 7500 C pen- dant 30 minutes et leur refroidissement à l'air, puis en les soumettant à une immersion dans la solution de Strauss bouillante pendant 16 heures et à un traitement thermique d'oxydation des limites des grains à 1100 C pendant 10 mi- nutes suivi d'un refroidissement dans l'air, et finalement en mesurant la profondeur de corrosion intergranulaire de chaque échantillon Les résultats de l'essai de traction sont présentés dans le Tableau 2 et les résultats de l'es- sai concernant les caractéristiques de sensibilisation sont présentés sur les figures 1 et 2. Tableau 1 C Si Mn Ni Cr N A Aciers se- lon l'inven- tion 1 0,008 0,79 '1,48 7,48 17,35 0,102 20,4 " 2 0,018 0,66 1,73 7,54 17,83 0,073 20,6 " 3 0,020 0,63 1,66 7,15 17,64 0,093 20,4 " 4 0,017 0,67 1,74 7,80 17,73 0,049 20,5 " 5 0,019 O, 54 1,44 6,62 17,16 0,118 19,7 " 6 0,032 0,61 1,05 7,13 16,78 0,170 20,6 " 7 0,038 0, 51 0,95 6,57 16,82 0,140 19,6 Aciers com- paratifs 1 0,017 0,78 1,40 6,67 16,71 0,079 18,9 " 2 0,035 0,45 1,O 3 7,54 18,05 09140 21,4 3 0,038 0,47 1,00 8, 46 18, 22 0,081 21,6 4 0,061 0,54,16 6,88 17,41 0,072 19,9 01066 0,49 1,91 7,47 16,68 0,041 20,2 6 0,094 0,55 1,90 7,76 16,74 0,017 20,6 z ILZ 8 L 10 S 1 ú 011 z 119 1910 8 't 16 E 'tq 9 9 pz El"O T 19 T T, L se úIZú Z:9 O TIT-Oi OIE 9 S 41 t'l"O OIOZ:T S 199 z IT-C ú 9"O O 1 t OT S I 59 v as q Isz 6 S'O 0 '86 a ce z Ilin 9 L O 6411 OILS ú 44 do z 19 E se Zl Em T les T U E T IO T'Le z IZ 9z 44 i L O Z 16 TI 0199 olie SS "O Z 180 T 109 T, sj Tjejed -Woo sie Tzy EL &O Z 19 Z O 1 t, T-,OIES SIZE zq O z ls OT OI 59 L SUZ 6 L'O Z'60 T 0199 OISE 9910 9 '66 L % 9 9 44 6 'ZZ sq O 01 úTT z In Olez ús'O Olú O; OILS 94 s Igt 9 LIO 0 " 96 91 ZL S IZIE tq O Tles 9195 t, TIS z SL O ZILOT, ú,os q Ir E 1 > 9 O Z'96 z 119 ú ZILZ si O 9 'L 6 919 L OISú Z 910 Z'68 LISS z 819 Z LLIO O 1 Èm T'6 L e Iv E tq O S'ú 6 9 '69 Uo Tque AUT 41 u O les sze TDV M IV) z ww/6 >l) Zww/6 f) M w W/6:4) ?l w W/6 > 1 :4 uewe 6 ZIO Z&O jua WG 6 Il zi o/;O 19 'O 'o/ z Oo úl -uollv 'O -uollv 050 SZ l seau Twel sel % ST, iq se;, :u-çwlel sel Qi, w eu : fn 1, 4 > C> LA ( 14 à p-, - z 'ntelqei. 1.1 Il est évident d'après le Tableau 2 que les aciers de la présente invention sont supérieurs aux aciers compa- ratifs 1, 2 et 3 en ce qui concerne l'ensemble des proprié- tés de traction nécessaires pour les aciers d'une haute ré- sistance mécanique C'est-à-dire qu'avec tous les aciers selon la présente invention, des tôles qui satisfont aux conditions de propriétés mécaniques requises pour le maté- riau semi-dur pour véhicules de chemins de fer (o'2: 2 2 0, kg/mm ou plus; c B: 94 kg/mm ou plus, l O e 2/B, 0,8, Al > 20 %) peuvent être fabriquées d'une manière satisfai- sante avec une réduction de 15 25 % Au contraire, on peut voir avec l'acier comparatif 1 que quand la valeur de A-iest de 18,9, le matériau est inférieur en ductilité et en capacité de façonnage en raison de l'instabilité de la phase Y, bien que la résistance mécanique soit satis- faisante C'est-à-dire que bien que la limite d'élasticité d' de la matière soit de 70 kg/mm 2 ou plus,l'allongement 0,2 est de 20 % ou moins Les aciers comparatifs 2 et 3, pour lesquels la valeur de Ay est supérieure à 21, ont des va- leurs élevées de 6 mais leurs valeurs deî ne sont pas bien élevées, car la phase y est trop stable Le rap- port de limite élastique est de 0,8 ou plus, ce qui signi- fie une médiocre-capacité de façonnage de la même manière que dans le cas de phase Y instable. Il est évident d'après les résultats présentés sur les figures 1 et 2 que les aciers selon l'invention sont bien améliorés en ce qui concerne les caractéristiques de sensibilisation par rapport aux aciers comparatifs 4, 5 et- 6 Dans les aciers comparatifs 3 et 4, dont la teneur en C est de 0,06 0,07 %, la fissuration par corrosion inter- granulaire augmente quand la réduction par laminage à froid est portée de 15 % à 25 % Au contraire,même dans les aciers 6 et 7 selon l'invention, qui contiennent une quan- tité de C proche de la limite supérieure définie dans la -35 présente invention ( 0,03 % ou plus),la quantité absolue de fissuration par corrosion intergranulaire dans l'intervalle complet de température de sensibilisation est presque cons- tante,bien que la fissuration par corrosion intergranulai- -2509328 re augmente du côté des températures basses De plus, il n'y a pas d'exagération à dire que les aciers selon l'in- vention contenant 0,02 % ou moins de C, comme illustré par les aciers 1 à 5 selon l'invention, ne sont pas sensibili- * ses même s'ils sont laminés à froid. Comme on-l'a observé dans les exemples ci-dessus, les aciers selon l'invention présentent diverses caracté- ristiques requises de l'acier inoxydable d'une haute résis- tance mécanique, et ainsi la présente invention agrandira les domaines d'utilisation des aciers inoxydables d'une -haute résistance mécanique Spécialement dans le domaine du matériel roulant, dans lequel on s'attend à une utilisation extensive de l'acier inoxydable d'une haute résistance mé- canique, les'aciers selon la présente invention seront avantageusement utilisés, car la résistance à la fissura- tion par corrosion intergranulaire est remarquablement amé- liorée tandis que la résistance mécanique, la capacité de façonnage, etc, nécessaires à un matériau pour matériel roulant, sont conservées. D'après la description ci-dessus, il est évident que le produit de la présente invention est avantageuse- ment utilisé comme matériau pour la construction de véhi- cules de chemins de fer Toutefois, les possibilités d'ap- plication de l'acier'de la présente invention ne s'y li- mitent pas et on s'attend à une large utilisation dans di- vers domaines industriels. R E V E N D I C A T I O N S 1 Acier inoxydable d'une haute résistance mé- canique ayant une excellente résistance à la fissuration par corrosion intergranulaire et une excellente capacité de façonnage, caractérisé par le fait qu'il présente la composition suivante en % en poids: C, pas plus de 0,04 %; N, 0,04 0,20 %; Si, pas plus de 1,0 %; Mn, pas plus de 2,0 %; Ni, 6,0 10,0 %; Cr, 16,0 20,0 % et complément constitué de Fe et des impuretés présentes inévitablement comme conséquence de l'opération d'élaboration de l'acier, et que la composition est ajustée de manière que la quan- tité AY ait une valeur de 19 à 21, o: Ay = (%Ni) +,0,60 (%Cr) + 0,70 (%Mn) + 13 Z-(%C)+(%N)_ 7 2 Acier d'une haute résistance mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en C n'est pas supérieure à 0,03 %, la teneur en N est comprise entre 0,04 et 0,17 %, la teneur en Si n'est pas supérieure à 0,8 % et la teneur en Mn n'est pas supérieure à 1,75 %. 3 Acier d'une haute résistance mécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur en C n'est pas supérieure à 0,02 %, la teneur en N est comprise entre 0,04 et 0,12 %, la teneur en Si n'est pas supérieure à 0,7 % et la teneur en Mn n'est pas supérieure à 1,5 %. 4 Acier d'une haute résistance mécanique selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la valeur de Ay est comprise entre 19,5 et 20,5.