Brevet FR2516422A1 — publié le 19830520

La présente invention concerne une matière de soudage à résistance mécanique et à ténacité élevées. Des exemples de matières de soudage classiques pour des températures aussi basses que -90 'C sont l'acier allié à 3,5 % de nickel et l'acier inoxydable austénitique. Cependant, les soudures faites de ces matières présentent une faible limite élastique de 29,4-53,9 da N/ cm 2, bien qu'elles soient durables à basse température, ce qui exclut leur emploi pour les machines tournant à grande vitesse, qui nécessitent des matières soudées sous des formes résistantes et durables à basse température. Un traitement thermique additionnel de trempe et de revenu n'élève pas la résistance mécanique ni la résistance au choc (VE-90), pour permettre à ces soudures d'être utili- sées dans des éléments soumis à des vitesses de rotation élevées. L'invention concerne une matière de soudage, ap- pelée ci-après fil de soudage, et plus particulièrement une matière de soudage que l'on peut utiliser à des tem- pératures aussi basses que -900 C pour diverses soudures de machines et d'outils La matière de soudage selon l'inven- tion présente une grande durabilité de la résistance méca- nique même lorsqu'on l'utilise dans des soudures à -90 'C. Les demandeurs ont mis au point une matière de soudage qui est plus résistante et plus durable que les soudures classiques à -90 'C et ont déterminé que: ( 1) l'accroissement de la teneur en nickel de l'acier accroit la durabilité à basse température; ( 2) l'addition de Cr et de Mo accrolt l'efficacité de la trempe et du revenu; ( 3) la teneur en Cr + Mo est un facteur critique pour l' obtention de la résistance mécanique et de la durabilité. L'invention repose sur les découvertes ci-dessus et fournit une matière de soudage résistante et durable, caractérisée par le fait qu'elle contient les éléments sui- vants en les pourcentages pondéraux indiqués ci-dessous. Ci-après les pourcentages sont exprimés en poids. C: 0,05 0,15 %; Si: 0,25 0,70 %; Mn: 0,60 - 1,80 %; Ni: 4,5 11,0 %; Cr: 0,20 1,20 %; Mo: 0,20 0,60 %; Ti: 0,03 0,12 % et Cr + Mo: de 0,40 % à 0,030 x (Ni%) et les impuretés P et S, qui sont iné- vitables, sont limitées à moins de 0,010 %, Cu à moins de 0,20 %, Sn, Sb et As à moins de 0,010 % et l'oxygène et l'azote à moins de 100 ppm. Les raisons, pour lesquelles on précise les quantités des éléments constitutifs dans la matière de soudage selon l'invention, sont les suivantes. Le carbone est nécessaire pour élever la résis- tance mécanique de la soudure Comme on ne peut pas obte- nir la résistance mécanique, lorsque la teneur en carbone est trop faible et qu'à température élevée des craquelu- res de la pièce soudée ont tendance à se produire, si la teneur en carbone est trop faible, cette teneur est com- prise dans la gamme de 0,05 à 0,15 %. Le silicium a un effet d'affinage sur le métal soudé Si la teneur en silicium est trop faible, l'effet d'affinage est insuffisant, et si elle est trop élevée,la durabilité à basse température est réduite lors de la trempe et du revenu Pour ces raisons, on utilise une te- neur en silicium de 0,25 à 0,70 %. Le manganèse a le même effet que le silicium. Pour les mêmes raisons que pour le silicium, on emploie 0,60 à 1,80 % de manganèse. Le nickel élève la durabilité à basse températu- re et la résistance mécanique Si sa teneur est inférieure à 4,5 %, la durabilité à basse température (à -90 C) est in- suffisante dans le métal soudé, qui est soumis à une trempe ' 6422 et un revenu, pour obtenir une limite élastique de 73,5 à 98 da N/mm 2 Si la teneur en nickel est supérieure à 11 %, le coût est excessif La teneur en nickel est donc limi- tée dans la gamme de 4,5 à 11 %. Le chrome améliore la trempe mais ses caracté- ristiques réduisent la durabilité à basse température On considère que la gamme de 0,20 à 1,20 % est préférable. Si la teneur est inférieure à 0,20 %, la limite élastique est faible Si la teneur dépasse 1,20 %, la durabilité à -900 C diminue. Le molybdène améliore également les caractéris- tiques de trempe et il maintient également la résistance après le revenu Une gamme de 0,20 à 0,60 % est recomman- dée Si la teneur en molybdène est inférieure à 0,20 %; la limite élastique est faible et une teneur supérieure à 0,60 % n'apporte pas d'amélioration de la limite élastique et ne fait qu'accroître le coût de l'alliage. En ce qui concerne le chrome et le molybdène précités, si la teneur totale de ces deux éléments augmen- te, la résistance du métal soudé s'accroit, mais la durabi- lité à basse température diminue Pour obtenir les condi- tions requises de résistance mécanique et de durabilité à basse température, il est important que la teneur totale des deux éléments soit comprise entre 0,40 % et O 30 x (Ni%) soit lO,40 % Le titane est un élément important pour obtenir la stabilité lors des réactions métallurgiques et dans l'arc lors du soudage Si sa teneur est inférieure à 0,03 % en poids, son effet désoxydant et sa contribution à la stabilité de l'arc ne sont pas évidents et, si elle est supérieure à 0, 12 % en poids, elle réduit la stabilité de l'arc et la durabilité du métal soudé; la teneur est donc limitée dans la gamme de 0,93 à 0,12 %. Les impuretés inévitables que sont le phosphore et le soufre, ainsi que le cuivre, ont tendance à provoquer des craquelures dans la soudure Il est souhaitable de limiter les teneurs en phosphore et en soufre à moins de 0,010 % et la teneur en cuivre en dessous de 0,20 % Les autres impuretés que sont l'étain, l'antimoine et l'ar- senic doivent avoir des teneurs limitées à moins de 0,010 % Comme l'oxygène et l'azote réduisent la durabilité, la teneur de chacun de ces gaz doit être inférieure à 100 ppm. Les matières de soudage, qui constituent des exemples de l'invention ayant les compositions indiquées ci-dessus, sont utilisées comme baguettes pour le soudage à arc en atmosphère contrôlée, et les métaux soudés sont soumis, après soudage, à une trempe et à un revenu. Deux exemples de l'invention sont présentés ci- dessous pour l'expliquer de façon détaillée. EXEMPLE 1 On utilise des fils de soudage dont le diamètre est de 1,2 mm ayant les compositions chimiques indiquées dans le tableau 1 pour le soudage à l'arc en atmosphère contrôlée d'une tôle d'acier doux (épaisseur 16 mm x lar- geur 300 mm x longueur 700 mm) (soudée avec les fils échan- tillons) avec un courant électrique de 200 à-240 A, une tension de 25-27 V, une vitesse de soudage de 25-30 cm/min, et une atmosphère contrôlée constituée d'argon et de 2 % d'oxygène, puis on trempe la soudure à 860 'C + 250 C On détermine la limite élastique du métal soudé selon un essai de traction à la température ordinaire et la durabilité à basse température selon un essai de choc à -90 'C Les ré- sultats de ces essais figurent dans le tableau 2 Il res- sort de façon évidente des tableaux 1 et 2 qu'après la trempe et le revenu, on peut obtenir une limite élastique de 73,5 à 98 da N/mm 2, ainsi qu'une durabilité à basse tem- pérature suffisante, supérieure à 27,4 da N/mm 2 à -900 C. Le tableau 3 indique la composition chimique des métaux soudés obtenue à partir des fils de soudage du ta- bleau 1 La teneur en oxygène des métaux soudés est de 16422 à 500 ppm et la teneur en azote de 10 à 50 ppm. TABLEAU 1 % en Composants chimiques poids N désignation C Si Mn P S 1 Autre que la 0,07 0,41 1,53 0,003 0,006 présente invention 2 " " 0,03 0,38 1,30 0,008 0,008 3 présente invention 0,07 0,45 1,25 0,006 0,003 4 " " 0,10 0,42 1,00 0,008 0,006 Autre que la présente invention 0,07 0,45 1,20 0,006 0,003 6 " " 0,06 0,35 0,90 0,005 0,002 7 présente invention O 08 0,48 1,22 0,004 0,003 8 " " 0,10 0,47 0,95 0,005 0,004 9 Autre que la présente invention 0,10 0,45 1,20 0,006 0,002 " " 0,08 0,38 0,95 0,003 0,004 11 présente invention 0,10 0,38 1,20 0,005 0,004 12 " " 0,12 0,32 1,12 0,008 0,006 13 " " 0,09 0,36 1,24 0,004 0,003 14 Autre que la présente invention 0,09 0,35 1,10 0,005 0,004 " 9 0,03 0,34 1,09 0,004 0,003 16 présente invention 0,07 0,39 1,20 0,003 0,003 17 " " 0,10 0,40 1,22 0,002 0,005 18 Autre que la présente invention 0,006 0,40 1,25 0,004 0,002 Suite des compositions page 6. N Suite des compositions du tableau 1. Ni Cr Mo Cu Sn Sb As Ti 1 2,8 0,7 0,7 0,17 0,002 0,006 0,001 0,04 2 4,52 0,10 0,30 0,18 0,003 0,008 0,002 0,08 3 4,53 0,25 0,25 0,15 0,004 0,008 0,001 0,07 4 4,60 0,30 0,30 0,15 0,004 0,005 0,001 0,03 4,53 0,70 0,5 0,12 0,002 0,004 0,001 0,05 6 6,48 0,20 0,10 0,13 0,002 0,003 0,002 0,06 7 6,52 0,25 0,32 0,12 0,003 0,004 0,001 0,06 8 6,48 0,82 0,40 0,14 0,003 0,005 0,002 0,09 9 6,4 1,26 0,50 0,12 0,002 0,004 0,001 0,06 8,5 0,11 0,21 0,12 0,003 0,005 0,001 0,07 11 8,5 0,36 0,22 0,14 0,001 0,005 0,002 0,12 12 8,4 0,84 0,48 0,16 0,001 0,005 0,001 0,05 13 8,5 1,20 0,58 0,15 0,002 0,007 0,002 0,07 14 8,5 1,30 0,65 0,16 0,002 0,007 0,001 0,10 10,6 0,02 0,05 0,08 0,001 0,003 0,001 0,09 16 10,6 0,31 0,30 0,12 0,002 0,004 0,001 0,10 17 10,7 1,05 0,49 0,14 0,001 0,001 0,000 0,10 18 10,5 1,50 0,38 0,09 0,001 0,003 0,001 0,08 16422 TABLEAU 2 N Limite élastique Energie absorbée (da N/mm 2 VE 90 (a/nn>(da N/mm) (da N m) 1 94,1 0,69 2 52,9 5,98 3 73,5 3,92 4 83,3 3,14 95,1 1,86 6 63,7 4,90 7 95,1 3,72 8 96,0 3,14 9 97,0 1,96 96,0 5,39 11 95,1 4,12 12 96,0 3,72 13 96,0 2,84 14 96,0 1,96 63,7 9,31 16 94,1 5,29 17 96,0 3,72 18 98,0 1,98 TABLEAU 3 Composants chimiques {% en poids) ND désignation C Si Mn P S 1 Autre que la présen- te invention 0,07 0,35 1,17 0,001 0,006 2 a N 0,04 0,25 1,22 0,002 0,003 3 présente invention 0,07 0,30 1,00 0,005 0,003 4 N N 0,12 0,35 0,98 0,006 0,004 Autre que la présen- te invention 0,08 0,30 0,99 0,003 0,005 6 H N 0,06 0,32 0,88 0,005 0,002 7 présente invention 0,08 0,40 0,99 0,004 0,002 8 " O 0,09 0,40 0,90 0,005 0,004 9 Autre que la présen- te invention 0,10 0,43 1,10 0,006 0,002 N 0,08 0,35 0,90 0,003 0,004 11 présente invention 0,07 0,30 0,99 0,003 0,005 12 H 0,12 0,30 1,05 0,005 0,003 13 l e 0,10 0,36 1,12 0,004 0,003 14 Autre que la présen- te invention 0,09 0,32 1,02 0,005 0,003 " 0,03 0,30 0,85 0,003 0,002 16 présente invention 0,06 0,29 0,95 0,003 0,003 17 H 0,09 0,30 1,02 0,002 0,005 18 Autre que la présen- te invention 0,06 0,30 0,99 0,004 0,002 Suite des compositions page 9. 2 5 16422 No Suite des c Om P Ositions du tableau 3. Ni Cr Mo Cu sn Sb As Ti 1 2, 66 2 4, 50 3 4, 51 4 4 55 4, 52 1 O 6 6,40 7 6,48 8 6, 43 9 6 40 1 O 8, 5 1 5 1 1 8,6 1 2 8,4 1 3 8, 5 1 4 8, 45 1 0,8 16 1 0, 5 1 7 1 0, 8 0, 08 0, 24 0, 28 0, 70 0,19 0, 24 0, 80 1,26 0,11 0, 35 0, 82 1 1 5 1 28 0, 01 0,30 1,00 0,49 0, 30 0, 22 0, 30 0, 49 0, 10 0, 31 0,40 0, 50 0,22 0, 22 0,4 9 0, 59 0, 66 0, 05 0,30 0,48 0, 16 0, 1 5 0,1 5 0,14 0, 12 0, 1 3 0,1 2 0, 14 0, 12 0, 12 0, 12 0,1 4 0, 1 5 0, 15 0,09 0, 12 0, 13 0,001 0, 002 0, 003 0, 003 0, 002 0,001 0,002 0, 002 0, 001 0,002 0, 002 0,005 0, 001 0, 001 0, 001 01 002 0, 001 0,003 0, 005 0, 005 0, 005 0, 004 0, 003 0, 004 0, 005 0, 004 0, 005 0,001 0,002 0, 005 0,006 0, 003 0, 004 0, 001 0, 001 0, 001 0, O 01 0, 001 0,001 0, 001 0,001 0,001 0, 001 0, 001 0, 001 0,001 0,001 0,001 0, 001 0, 001 0, 000 0, 02 0, 02 0, 03 0, 01 0, 01 0, 02 0, 01 0,02 0,02 0, 01 0,03 0, 01 0,01 0, 02 0,02 0,02 0,02 0,001 0,003 0,001 0,02 *18 10,5 1,50 0,38 0,09 EXEMPLE 2 On soumet à un soudage selon le procédé TIG une plaque d'acier doux (épaisseur 16 mm x largeur 300 mm x longueur 700 mm) dans les conditions ci-dessousindiquées. Diamètre du tungstène 3,2 mm Diamètre du fil 1,2 mm Les fils utilisés sont les fils N O 6, 7, 8 et 9 du ta- bleau 1 du mode de réalisation 1. Courant du procédé TIG 260-280 A Tension du procédé TIG 12 V Vitesse de soudage 200 mm/min Vitesse d'avancement du fil 1000 mm/min Atmosphère contrôlée Ar 25 % + He 75 % Débit de l'atmosphère contrôlée 30 1/min. Les limites élastiques des métaux soudés, pro- duits par soudage selon le procédé TIG ci-dessus, ont été obtenues par un essai de traction à la température ordi- naire et la durabiltié à basse température a été détermi- née par un essai de choc à -90 'C Les résultats figurent dans le tableau 4. Il ressort de façon évidente du tableau 4 qu'a- vec les matières de soudage de l'invention on peut obtenir une limite élastique et une durabilité à basse température environ semblables à celles de l'exemple 1. La composition chimique des métaux soudés de 1 ' exemple 2 figure dans le tableau 5. TABLEAU 4 NO Limite élastique Energie absor- (da N/mm) bée VE 90 (da N m) 6 64,7 5,88 7 94,1 3,92 8 96,0 3,72 9 97,0 2,16 TABLEAU 5 % en poids Composi n 6 7 8 9 tion autre que invention invention autre que chimique l'invention 1 ' invention C 0,06 0,08 0,10 0,10 Si 0,33 0,45 0,40 0,40 Mn 0,85 1,15 0,90 1,10 P 0,004 0,003 0,004 0,005 S 0,002 0,003 0,004 0,002 Ni 6,49 6,52 6,49 6,4 Cr 0,20 0,24 0,80 1,24 Mo 0,11 0,32 0,40 0,50 Cu 0, 13 0,12 0,13 0,12 Sn 0,002 0,003 0,003 0,001 Sb 0,003 0,004 0,004 0,004 As 0,002 0,001 0,001 0,001 Ti 0,03 0,03 0,04 0,03 02 0,0045 0,0038 0,0040 0,0040 N 2 0,0026 0,0035 0,0040 0,0028 Revendication Matière de soudage ayant une résistance mécanique et une ténacité élevées, caractérisée en ce qu'elle a la composition pondérale suivante: C: 0,05 0,15 %; Si: 0,25 0,70 %; Mn: 0,60 1,80 %; Ni: 4,5 11,0 %. Cr: 0,20 1,20 %; Mo: 0,20 0,60 %; Ti: 0,03 0,12 %; Cr + Mo de 0,40 % à 0, 030 x (Ni%)