Brevet FR2514371A1 — publié le 19830415

La présente invention est relative à un alliage à ba- se de nickel austénitique non magnétique et, plus particu- lièrement, à un tel alliage ainsi qu'aux pièces non magné- tiques fabriquées à partir de celui-ci, présentant une ré- sistance mécanique élevée ainsi qu'un degré remarquable de dureté et d'absence de ségrégation. Comme décrit dans le brevet des E U A N O 3 935 037 accordé à la Demanderesse, on cherche depuis longtemps à améliorer la résistance des pièces austénitiques non magné- tiques de section relativement importante Bien que l'alli- age de ce brevet fournisse un alliage capable d'atteindre une limite élastique à 0,2 % d'au moins 1241 M Pa avec sig- nificativement moins de travail à froid que nécessaire auparavant, il existe néanmoins une demande pour un allia- ge capable de fournir des pièces de ce type sans nécessiter de travail à froid et pouvant cependant satisfaire à la condition de présenter une limite élastique à 0,2 % de 1241 M Pa avec une dureté adéquate et sans nécessiter de travail à froid Il est dit, dans ce brevet, qu'il est sou- haitable que le traitement soit effectué de façon à fournir une structure sensiblement uniforme, essentiellement exempte de ségrégation des éléments durcisseurs, le titane et le niobium, afin d'éviter la présence d'une phase de Laves dans le produit final. Le brevet des E U A N O 3 046 108 décrit une gamme étendue d'alliages austénitiques non magnétiques à base de nickel ou à base de nickel et de cobalt conçue-de façon à assurer une limite élastique minimale à 0,2 % de 690 M Pa associée à une résistance à la traction sous contrainte élevée à température élevée, par exemple à des températures d'environ 650 à 7300 C Quelques unes des compositions dé- crites dans le brevet no 3 046 108 sont indiquées comme présentant des limites élastiques à 0,2 % de 1241 M Pa ou plus, mais, dans ces compositions, l'équilibre entre les éléments: fer, niobium et titane, est tel qu'ils présentent un degré indésirable de risque de ségrégation, tendance qui est de plus en plus gênante lorsque les dimensions des pièces à réaliser à partir de ces compositions augmentent. La présente invention a pour but de fournir un alliage à base de nickel austénitique non magnétique amélioré qui, lorsqu'il est forgé et traité thermiquement c'est-à- dire sans aucune nécessité de faire intervenir un travail à froid présente une limite élastique minimale à 0,2 % d'environ 1241 M Pa à température ambiante et qui soit pra- tiquement exempt de ségrégation. Le but précité est atteint en fournissant, conformé- ment à l'invention, une composition d'alliage qui est indi- quée au tableau I, en pourcentages en poids, comme étant essentiellement constituée par environ: TABLEAU I Limites Limites Limites Eléments générales intermédiaires préférées Carbone 0,2 Max 0,1 Max 0,015-0,08 Manganèse 2 Max 1 Max 0,4 Max. Silicium 1 Max 0,5 Max 0,25 Max. Chrome 11-23 12-18 13-17 Molybdène 4 Max 2-4 2,5-3,5 Niobium 1,5-4,5 2-4 2,5-3,8 Fer 20 Max 5-15 8-11 Titane 1,9-4,5 2,2-4,25 2,75-3,8 Aluminium 2 Max 1 Max 0,1-0,3 Bore 0,015 Max 0,001-0,01 0,003-0,01 le restant de la composition étant essentiellement consti- tué par du nickel et, certaines proportions fortuites d'autres éléments, l'alliage étant équilibré de façon à présenter, à l'état forgé et traité thermiquement, une limite élastique à 0,2 % d'au moins 1241 M Pa Par "fortuites, certaines proportions d'autres éléments" on entend englober ici des proportions tolérables d'impuretés et éléments occasionnels n'affectant pas matériellement les propriétés de l'alliage Ces impuretés peuvent compren- dre de petites proportions de soufre et de phosphore, par exemple de, respectivement, jusqu'à 0,03 % et jusqu'à - 0,04 % en poids On n'entend nullement, par le tableau ci- dessus, limiter les gammes de proportions intermédiaire et préférable de telle sorte que l'une ou l'autre doive être utilisée en totalité En fait, il est bien entendu qu'on peut utiliser une ou plusieurs des limites préféra- bles et/ou intermédiaires avec n'importe laquelle ou plu- sieurs des limites générales ou autres C'est ainsi qu'une limite maximale préférable pour un élément donné peut être utilisée avec la limite minimale générale ou intermédiaire pour cet élément. Bien que la proportion de carbone présente puisse atteindre environ 0,2 % en poids tant qu'il ne se produit pas de ségrégation indésirable, on obtient de meilleurs résultats lorsque la proportion de carbone est limitée à une valeur non supérieure à environ 0,1 % en poids Cela dépend, dans une certaine mesure, de la dimension des piè- ces à fabriquer à partir de l'alliage Il y a plus de ris- que de ségrégation dans les grosses pièces que dans les petites, et il est plus difficile d'agir sur la dimension du grain lorsque la section augmente Comme le carbone agit-avec le niobium et le titane pour aider à agir sur la dimension du grain, de 0,015 à 0,08 % en poids de car- bone est préférable Le manganèse et le silicium ne sont pas essentiels et peuvent être présents en une proportion de jusqu'à 2 % environ, en poids, maximum pour le manganèse et de jusqu'à 1 % en poids, environ, pour le silicium Lors- qu'ils sont souhaitables du fait de leur effet bénéfique sur les propriétés à température élevée, peuvent être pré- sents d'environ 0,1 à 0,40 % en poids de manganèse et d'en- viron 0,10 à 0,30 % en poids de silicium Il peut également y avoir présence d'une petite proportion de silicium lors- qu'on utilise du silicium comme désoxydant au cours de la fusion de l'alliage. Le chrome confère un caractère inoxydable et sert principalement à conférer des propriétés de résistance à l'oxydation et à la corrosion Le chrome sert également de renforçateur de la solution solide C'est ainsi qu'il faut qu'il y ait au moins 11 % environ, en poids, de chrome présent Mieux, on utilisera au moins 12 % en poids de chrome, environ Comme le chrome, s'il est présent en une trop forte proportion, a tendance à troubler l'équilibre austénitique de la composition et peut avoir pour résultat une phase sigma ou une phase alpha riche en chrome indési- rable, sa proportion est limitée à pas plus de 23 % en poids et, encore mieux, à 20 % en poids On choisira des limites intermédiaires de 12 à 18 % en poids de chrome et la composition préférable contient d'environ 13 à 17 % en poids de chrome Le molybdène est également un renforça- teur de solution solide et, dans ce but, il peut y avoir présence de jusqu'à environ 4 % en poids de molybdène. Lorsqu'on utilise du molybdène, il est préférable que la proportion soit d'environ 2 à 4 et, mieux, d'environ 2,5 à 3,5 % en poids. Les éléments suivants, à savoir le nickel, le niobium, le titane et l'aluminium (ce dernier lorsqu'il est éven- tuellement présent) prennent part à la réaction qui ren- force principalement la composition en formant un précipité. Dans ce but, une proportion minimale d'environ 1,5 % en poids et, mieux, de 2 % en poids de niobium est présente. Chaque fois qu'on se réfère au niobium ici, il est bien entendu qu'est comprise la proportion habituelle de tanta- le qui accompagne le niobium Comme une proportion exces- sive de niobium provoque la formation d'une quantité exces- sive de phase de précipité, la proportion de niobium est limitée à un pourcentage pondéral d'environ 4,5 % et, mieux, d'environ 4 % Il est préférable que le niobium soit présent en une proportion pondérale d'environ 2,5 à 3,8 % Le titane est également essentiel pour renforcer cette composition et peut être présent à raison d'environ 1,9 à 4,5 % en poids Les proportions intermédiaires de titane sont d'environ 2,2 à 4,25 % et, mieux, d'environ 2,75 à 3,8 % en poids Pour obtenir les résultats les meil- leurs, en particulier en ce qui concerne la ségrégation, les quantités importantes de titane sont équilibrées avec de petites quantités de niobium, et les quantités impor- 2514371 l tantes de niobium sont équilibrées par de petites quanti- tés de titane. Bien que facultative, la présence d'aluminium contri- bue de façon souhaitable à la réaction de renforcement. Lorsqu'on l'utilise, l'aluminium peut être présent en une proportion pondérale pouvant atteindre 2 % environ, mais il ne faut pas utiliser de proportions élevées d'aluminium avec des proportions élevées de niobium Mieux, on utilise- ra l'aluminium en une proportion non supérieure à 1 % en poids et une proportion pondérale d'environ 0,1 à 0,3 % est préférable. Le bore, lorsqu'il est présent, contribue à la for- geabilité de cet alliage et est utilisé dans ce but en une proportion pouvant atteindre environ 0,015 % en poids. C'est ainsi que, bien que facultative, une addition de bore est préférable bien qu'une faible quantité -ait besoin d'être retenue dans la composition On peut obtenir de bons résultats même lorsqu'une proportion pondérale d'environ 0,001 % et, de préférence, d'environ 0,003 à 0,1 % est retenue. Comme on l'a fait remarquer ci-dessus, la présente composition a pour avantage singulier de fournir un allia- ge non magnétique ayant une résistance mécanique élevée, capable d'être mis sous des formes relativement importan- tes avec une limite élastique à 0,2 % supérieure à 1241 M Pa environ en l'état forgé et traité thermiquement, sans né- cessiter de travail à froid Par "formes importantes" on entend désigner des produits forgés à partir de lingots d'environ 50 cm ou plus de diamètre Dans ce but, le nickel est utilisé afin de minimaliser la présence de pha- ses autres que l'austénite souhaitée Le nickel prend éga- lement part à la réaction principale de renforcement par laquelle l'alliage atteint le niveau souhaité de résistan- ce mécanique C'est ainsi qu'un taux élevé de nickel est prévu, de préférence d'environ 61 à 73 % en poids, afin d'assurer l'absence de ségrégation indésirable dans les gros lingots, c'est-a-dire ayant plus de 20 cm de diamètre. Pour la nâme raison, la proportion pondérale de fer est de préférence limitée à environ 11 % et, comme la présence d'un peu de fer est considérée favoriser la formation du précipité renforçateur souhaité, une proportion minimale S d'environ 8 % en poids de fer est préférable. Bien qu'il ne soit pas limité à cette application, l'alliage suivant la présente invention est très avantageu- sement utilisé pour forger des anneaux de retenue non mag- nétiques à utiliser dans les grosses dynamos à vapeur afin d'empêcher les conducteurs et les isolants de se dép 14 cer vers le stator sous l'effet de la force centri- fuge lorsque le champ tourne Les pièces forgées sont aisément traitées thermiquement de façon à présenter le niveau minimal de résistance mécanique requis de limite élastique à 0,2 % de 1241 M Pa sans travail à froid, et pré- sentent une bonne résistance aux chocs à température am- bianté L'alliage suivant l'invention est également, à un degré remarquable, exempt de microségrégation, particuliè- rement dans les grands diamètres requis pour la fabrica- tion d'anneaux de retenue pour grosses dynamos à vapeur. On pense que l'amélioration de l'absence de ségrégation résulte du réglage soigneux des proportions des éléments fer, niobium et titane, ainsi que du taux restant de nickel. Lorsqu'on dépasse la proportion maximale préférée pour le- fer, le niobium ou le titane, on pense qu'il y a augmenta- tion de la tendance à la ségrégation par la formationd'une phase de Laves composée de fer, de niobium et de titane. L'alliage suivant la présente invention est aisément préparé et forgé en faisant appel à des modes opératoires classiques L'alliage peut être fondu à l'air ou sous une atmosphère protectrice, par exemple par induction sous vide De préférence, en particulier lorsqu'on doit couler des lingots ayant un -diamètre de plus de 50 cm environ, un mode de traitement faisant appel à plusieurs fusions, sui- vant lequel un lingot précédemment coulé, sous la forme d'une électrode consommable, est refondu, donne de meilleurs résultats. Le traitement est effectué de façon à éviter la ségré- gation des éléments renforçateurs, le niobium et le titane, et la présence de phase de Laves dans le produit final. Par exemple, des lingots ou des pièces forgées intermédi- aires peuvent être homogénéisés en étant maintenus à une température suffisamment élevée pour qu'il y ait diffusion. Le forgeage initial peut être effectué à envi- ron 11200 C et le forgeage final peut être effectué à partir d'une température de 11000 C environ L'homogénéisation, si on y fait appel, peut être effectuée à une température de 11760 C environ Le traitement en solution, si on y fait ap- pél, est de préférence effectué à 9800 C environ Le mode opératoire préférable pour cette composition, lorsqu'on prépare des grosses pièces comme de gros anneaux de rete- nue, consiste à préparer pour le forgeage en portant à une température qui sert également de température de dis- solution On forge ensuite, après quoi on procède à un vieillissement ou un durcissement par précipitation. Les températures du traitement thermique ainsi que sa durée ne sont pas critiques, et sont variables, comme on le sait bien Un traitement de vieillissement qui a donné de bons résultats consiste à chauffer à environ 7200 C pen- dant huit heures, à refroidir au four jusqu'à environ 620 'C, à maintenir pendant huit heures, puis à refroidir àl'air. Comme exemple de la présente invention, on prépare un alliage ayant la composition suivante: TABLEAU II Poids, % Carbone 0,041 Manganèse 0,13 Silicium 0,14 Chrome 15, 11 Molybdène 3,07 Niobium 2,97 Fer 10,23 Titane 2,99 Aluminium 0,22 Bore 0,0042 le restant étant constitué par du nickel et des proportions accessoires d'autres éléments comprenant, en poids, moins de 1 % de phosphore et moins de 1 % de soufre. On coule l'alliage, on l'homogénéise à 11760 C environ pendant 16 heures, on le refroidit à l'air et on le forge à partir d'une température de 1120 'C environ On traite les pièces de forge en solution à 9800 C environ pendant une heure, puis on refroidit rapidement dans de l'huile. On fait vieillir à 720 'C pendant huit heures, puis on re- froidit d'environ 550 C par heure jusqu'à une température de 620 'C environ à laquelle on maintient les pièces pen- dant huit heures, après quoi on les refroidit à l'air On prépare des éprouvettes pour essais de résistance à la traction à température ambiante et pour essais de résis- tance aux chocs Charpysur-entaille en V, et les essais donnent les résultats suivants La limite élastique à 0,2 % fournie par les deux éprouvettes est de 1331 M Pa et de 1276 M Pa, la résistance à-la traction correspondante est de 1579 M Pa et de 1536 M Pa, avec un allongement de 14,6 % et de 12,0 % ainsi qu'un coefficient de striction de 19,6 % pour les deux éprouvettes Les deux éprouvettes du test de résistance Charpy sur entaille en V présentent une résis- tance aux chocs de 12,2 J et 10,8 J, et une dureté Rockwefl de C 46. L'examen de microphotographies préparées à partir de la composition donnée à titre d'exemple, forgée et traitée thermiquement comme on vient de le décrire, révèle une absence significative de microségrégation. Il est bien entendu que les termes et expressions uti- lises le sont comme termes et expressions descriptifs et non limitatifs de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1 Alliage à base de nickel austénitique non magnéti- que, constitué essentiellement, en pourcentage pondérai, par: Carbone 0,2 Max. Manganèse 2 Max. Silicium 1 Max. Chrome 11-13 Molybdène 4 Max. Niobium 1,5-4,5 Fer 20 Max. Titane 1,9-4,5 Aluminium 2 Max. Bore 0,015 Max. le restant étant essentiellement constitué par du nickel et des quantités fortuites d'autres éléments, l'alliage étant équilibré de façon à présenter, à l'état forgé et traité thermiquement, une limite élastique à 0,2 % d'au moins 1241 M Pa. 2 Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient, en pourcentage pondérai: Carbone 0,1 Max. Manganèse 1 Max. Silicium 0,5 Max. Chrome 12-18 Molybdène 2-4 Niobium 2-4 Fer 5-15 Titane 2,2-4,25 Aluminium 1 Max. Bore 0,001-0,01. 3 Alliage suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il ne contient pas plus de 11 % en poids de fer. 4 Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient, en pourcentage pondéral: Carbone 0,015-0,08 Manganèse 0,4 Max. Silicium 0,25 Max. Chrome 13-17 Molybdène 2,5-3,5 Niobium 2,5-3,8 Fer 8-11 Titane 2,75-3,8 Aluminium 0,1-0,3 Bore 0,003-0,01 Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient au moins 61 % en poids, environ, de nickel. 6 Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué, en pourcentage pondéral, par environ: Carbone 0,015-0,08 Manganèse 1 Max. Silicium 0,5 Max. Chrome 15 Molybdène 3 Niobium 3 Fer 10 Titane 3 Aluminium 0,1-0,3 Bore 0, 003-0,01 le restant étant essentiellement constitué par du nickel et des quantités fortuites d'autres -éléments, et qui, à l'état forgé et traité thermiquement, présente une limite élastique à 0,2 % d'au moins 1241 M Pa. 7 Article à base de nickel austénitique non magnéti- que forgé et renforcé par précipitation qui, à l'état for- gé et traité thermiquement, présente une limite élastique à 0,2 % d'au moins 1241 M Pa, la composition dudit article étant celle de l'alliage suivant l'une quelconque des revendications précédentes.