Brevet FR2517701A1 — publié le 19830610

La présente invention se rapporte à des alliages à base fer à faible coefficient de dilatation et soudables et aux applications de ces alliages à des éléments de construction soudés travaillant dans des conditions cryo- géniques en particulier aux cuves de stockage et de transport et aux con- duits de transport de gaz liquéfié. La soudabilité des alliages fernickel présentant 35 à 50 % de nickel parmi lesquels l'alliage connu sous la marque "INVAR' est limitée par deux phénomènes distincts: la tendance à la "crique de solidification" et le "trou de ductilité" Le phénomène dit de "crique de solidification" est dû au fait que des films interdendritiques sont encore liquides et donc inca- pables de résister à un effort de traction à une température o les dendrite déjà formées constituent un édifice solide continu capable de transmettre les efforts d Os à la contraction thermique Le trou de ductilité correspond à un minimum de ductilité dans l'intervalle de températures allant de 700 à 1000 OC. On connait un métal d'apport destiné au soudage des alliages ci- dessus dans lequel-on a ajouté du manganèse et du titane au métal de type base du type ci-dessus Une composition/de ce métal d'apport comporte 36 % de nickel, 0,1 % de silicium, 0,1 % de carbone, moins de 0,01 % de sou- fre, moins de o,o 01 % de phosphore, 37 % de manganèse et 1 % 7 de titanele fer formant le solde L'addition de manganèse et de titane présente l'inconvé- nient dtélever le coefficient de dilatation de l'alliage qui ne peut pas de ce fait être utilisé comme métal de base pour la fabrication d'élémentsde construction dans le domaine cryogénique Par ailleurs l'utilisation de ce métal d'apport conmme soudure ne résoud pas toutes les difficultés Dans le cas de cordons croisés et si les contraintes sont assez élevées, il se pro- duit des fissurations du premier cordon dans la zone affectée par le second cordon, non pas dans la zone fondue mais juste à la limite de celle-ci dans le métal de base. On a proposé,dans le brevet français 7 129 341,pour des éléments de construction dans le domaine cryogénique, des alliages fer-nickel chargés en manganèse et présentant une teneur limitée en soufre Ces alliages compor tent en poids 36 à 36,5 % de-nickel, O à 0,25 % de silicium, O à 0, 04 % de carbone, O à 0,012 % de soufre, O à 0,012 % de phosphore et 0,20 à 0,40 % de manganèse A cause de la limitation de la teneur en soufre et de la présence de manganèse, les éléments de construction réalisés avec ces alliages peuvent tre soudés sans grosses difficultés On constate néanmoins que le métal de la zone fondue d'un cordon de soudure réalisé avec cet alliage est in- capable de résister simultanément à une température de l'ordre de 700 à 10000 C et à une contrainte de traction alors que ces conditions se rencon- trent lors d'une reprise locale d'un cordon de soudure ou d'un croisement de cordons de soudure Ce phénomène est dû à la chute de la ductilité que l'on observe dans la plage de températures donnée ci-dessus. La présente invention a pour but de fournir des alliages à base fer destinés à des éléments de construction soudés travaillant dans des condi- tions cryogéniques, ne présentant pas un "trou de ductilité" marqué, ni de tendance inacceptable à la "crique" de solidification Ces alliages pré- sentent un coefficient moyen de dilatation entre -1800 et O C inférieur ou voisin de 2 10 -6/OC et la présente invention est relative à des applications exigeant les proprétés ci-dessus. Les alliages à base de fer pour éléments de construction travaillant à des températures cryogéniques conformes à l'invention contiennent en poids carboi à 50 % de nickel, O à 20 O % de cobalt, O à 0,25 % O de silicium, O à 0,04-%de/ O à o,o 04 %l /de soufre, O à 0,008 % de phosphore, du manganèse, le reste étant formé par du fer et par des impuretés et ils sont caractérisés par le fait qu'ils con- tiennent 0,2 à 1,5 7 de manganèse et 0,2 % à 0,5 % de titane. Selon une caractéristique, les alliages contiennent 0,3 à 1 % de man- ganèse. Selon une autre caractéristique de l'invention, ces alliages sont u- tilisés à la fabrication d'éléments de construction présentant des croise- ments de soudure. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'exemples Cette des- cription nullement limitative fait référence aux dessins annexés dans les- quels: La figure 1 est un graphique donnant la striction à rupture mesurée par essai de traction rapide sur des échantillons forgés ettraités une heu- re à 1 l OOGC, en fonction de la température t. La figure 2 donoepour différentes teneurs en manganèse et en titane conformes à l'invention, une note définie selon la méthode Gueussier Castro, de la tendance au défaut dit de la "crique" de solidification",cette tendan- ce étant d'autant plus forte que la note est plus élevée. La figure 3 est un graphique donnant le coefficient moyen de dilata- tion entre -180 et 00 C d'alliages conformes à l'invention. La figure 4 représente un exemple d'élément de construction pour lequel les alliages conformes à l'invention sontspécialement adaptés. a Les alliages selon l'invention sont/base fer et contiennent 35 à 50 % de nickel Ils ont une structure austénitique Ils peuvent contenir O à 20 % de cobalt. A titre d'exemple, le tableau donne deux compositions d'alliages con- formes à l'invention Ces compositions sont données en poids. TABLEAU I Ni Si C S P Mn Ti Fe ML 36 0,25 0,03 0,004 0,008 0,3 0,2 Solde M 2 36 0, 25 0,03 0,004 0,008 0,5 0,4 Solde Les alliages contiennent du manganèse et du titane La combinaison de l'addition en manganèse et de l'addition en titane est essentielle En effet l'addition de manganèse -seul, meme au niveau de 3 %, est sans effet sur le "trou de ductilité" La teneur en manganèse est comprise entre O 02 et 1,5 %. De préférence elle ne doit pasdépasser 1 % pour que le coefficient moyen de dilatation entre -180 et O soit faible (figure 3) De préférence la teneur est comprise entre 0,3 % et 1 %. La teneur minimum en titane, égale à 0,2 %, est-critique en ce qui concerne le "trou de ductilité" En effet celui-ci n'est pas supprime de fa- çon reproductible lorsque la teneur en titane est inférieure à la limite men. tionnée Ainsi la courbe de striction à la rupture (figure 1) de l'alliage A dont la composition pondérale est donnée dans le tableau II montre que le "trou de ductilité" existe lorsque la teneur en titane est inférieure à 0,2 TABLEAU II Ni Si C S P Mn Ti Fe A 36 0,25 0,03 0,002 0,008 0,26 0,12 Solde Au contraire les courbes de striction à rupture des alliages M 1 et M 2 (figure 1) montrent que le "trou de ductilité" est effacé dans les alliages conformes à l'invention contenant plus de 0,2 % de titane. La teneur minimum en titane est par ailleurs critique du point de vue de la soudabilité En effet les essais montrent que les alliages selon l'invention ne présentent pas de criques aux croisements de souduresalors que des alliages tels que l'alliage A en présentent occasionnellement et que des alliages sans titane en présentent systématiquement. La teneur en titane ne doit pas dépasser 0,5 % pour éviter d'augmen- ter le coeffident moyen de dilatation et pour éviter d'aggraver la tendance à la crique de solidification. La teneur en soufre est comprise entre O et 0,004 % Le graphique de la figure 2 montre que dans le domaine des alliages selon l'invention, l'a- baissement de la teneur en soufre de 0,011 % C-iotes"cerclées) à 0,004 % Cho- tes"soulignées) fait chuter la "note" de 50 points pour l'amener largement au-dessous de 140 qui est une "note" pour laquelle on ne rencontre pas de difficultés en soudage Tt C. Les alliages selon l'invention sont adaptés à des éléments de cons- truction travaillant dans des conditions C-ryogéniques nécessitant un coeffi- cient moyen de dilatation inférieur à 2,5 x 10-6/l C et présentant des croise- ments de soudures La figure 4 montre un conduit cryogénique dans lequel le cordon annulaire 1 coupe les cordons longitudinaux 2 et 3 Les alliages se- lon l'nvention sont spécialement adaptés à de telles pièces présentant des croisements de soudure. Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l'invention imaginer des variantes et des perfectionnements de détails et de même envi- sager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Alliages à base de fer pour éléments de construction travaillant à des températures cryogéniques, contenant en poids 35 à 50 % de nickel, O à 20 % de cobalt, O à 0,25 % de silicium, O à 0,0 4 % de carbone, O à 0,004 de soufre, O à 0,008 % de phosphore, du manganèse, le reste étant formé de fer et d'impuretés, caractériséspar le fait qu'ils contiennent 0,2 à 1,5 % de manganèse et 0,2 à 0,5 % de titane. 2. Alliages selon la revendication 1 caractérisés par le fait qu'ils contiennent 0,3 à 1 % de manganèse. 3. Applications des alliages selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes caractérisées par le fait que ces alliages sont utilisés à la fabrication d'éléments de construction présentant des croisements de soudure et nécessitant un coefficient moyen de dilatation inférieur à 2,5 x 10-6/oc.