Brevet FR2565251A1 — publié le 19851206

Acier pour la fabrication de grosses pièces forgées et procédé de traite- ment de cet acier La présente invention a trait à un acier pour la fabrication de grosses pièces forgées en particulier de rotors de turbine. Les rotors de turbine classiques en acier Cr - Mo - V permettent des températures de vapeur de l'ordre de 550 C. Pour permettre une utilisation avec de la vapeur à plus haute température tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques on a utilisé des aciers fortement alliés au chrome comme décrit par exemple dans le document FR-A-1 407 452. L'acier selon l'invention permet d'améliorer les propriétés méca- niques tant à l'ambiante qu'à chaud et peut être utilisé avee de la vapeur à 600 C. L'acier selon l'invention contient en masse de 0,16 à 0,22% de carbone (C) moins de 0,3% de silicium (Si) moins de 0,5% de manganèse (Mn) de 0,6 à 0,9% de nickel (Ni) de 10,7 à 12,3% de chrome (Cr) de 0,8 à 1,1% de molybdène (Mo) de 0,22 à 0,35% de vanadium (V) de 0,07 à 0,20% de niobium (Ni) de 0,05 à 0,11% d'azote (N2) moins de 0,008% de bore (B) et des quantités résiduelles maximales (en % en masse) 0,020 pour le soufre, 0, 020 pour le phosphore, 0,025 pour le cobalt, 0,010 pour l'aluminium, 0,02 pour le titane, 0,02 pour l'étain, 0,10 pour le cuivre, 0,015 pour le tungstène, 0,020 pour l'arsenic et 0,0025 pour l'antimoine, le complément étant en fer, ledit acier ayant un nickel équivalent calculé selon la formule Ni eq = 30 C + 0,5 + 2 Ni + 25 N2 + 40 B, compris entre 9 et 10,2 et un chrome équivalent calculé selon la formule Cr eq = Cr + 2 Si + 1,5 Mo + 5 V + 1,75 Nb -2- compris entre 14,5 et 15,5 le rapport entre le Cr eq et le Ni eq étant compris entre 1,49 et 1,65. Pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques on soumet après for- geage les pièces en acier selon l'invention à un traitement comportant les étapes suivantes: - homogénéisation de la pièce réalisée à une température comprise entre 1130 et 11700C pendant un temps suffisant pour parachever la mise en solution suivie d'un refroidissement lent au four austénitisation entre 1050 C et 11300C suivie d'une trempe ramenant la température à 250 C - revenu lui donnant les caractéristiques finales. Selon une réalisation préférentielle le revenu comporte les étapes suivantes - première montée en température jusqu'à une température 1 comprise entre 540 et 600 C, de préférence 560 C, avec maintien pendant un temps t au moins égal à 25 h. - refroidissement lent Jusqu'à l'ambiante seconde montée en température jusqu'à une température e2 comprise entre 650 C et 710 C, de préférence égale à 6850C, avec maintien pendant le temps t moins égal à 25 h - refroidissement lent Jusqu'à l'ambiante. et est suivi d'un traitement de stabilisation à une tempéra- ture &3 = 2 - o maintenu pendant un temps au moins égal à.25 h avec O compris entre 300 et 50 C. o La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la des- cription qui va suivre dans laquelle - la figure 1 représente dans le système d'axes Cr eq, Ni eq la place du domaine de composition des aciers selon l'invention - la figure 2 représente dans le même système d'axe le domaine des aciers selon l'invention. L'invention concerne une composition d'acier fortement allié pour grosses pièces de forge pour lesquelles l'addition de Niobium, habi- tuelle pour un acier présentant à chaud une résistance élevée au fluage est limitée corrélativement avec l'addition d'azote, l'ensemble des élé 3- ments d'addition--devant réaliser un équilibre en vue d'éviter la pré- sence de ferrite résiduelle dans la structure. En effet il est notoire que les aciers à 12% de chrome (10-14%) avec de fortes additions de niobium (0,2 à 0,5%) en plus du vanadium ont de bonnes propriétés vis-à-vis du fluage. Mais dans le cas de grosses pièces forgées la présence excessive de carbures de niobium à coeur peut entrainer des caractéristiques insuffisantes de la ductilité dans des directions perpendiculaires au sens de corroyage. La nécessaire réduc- tion de la teneur en niobium peut corrélativement affecter les proprié- tés à chaud ce qui n'est pas le but recherché. Il importe donc de limiter au Juste nécessaire les teneurs conjointes de niobium et d'azote pour obtenir dans toutes les directions une ductilité acceptable tout en cherchant à mettre totalement en solution les carbonitrures formés lors du traitement thermique. Le choix de la température d'austénitisation ainsi que le temps de maintien, seront ajustés pour un diamètre donné de pièce forgée, à la teneur précise en niobium dans la composition de l'acier de façon à utiliser toute l'efficacité de cette addition. D'autre part une composition "mal équilibrée" peut entrainer un excès de ferrite dans la structure de grosses pièces. On parvient à l'exclure en dosant soigneusement les teneurs en éléments d'addition. Une méthode assez précise pour réaliser ce dosage est celle des "chrome et nickel équivalents" permettant à l'aide de coefficients affectés à chaque élément d'apprécier son aptitude à la formation de ferrite (élé- ment alphagènes) et à la formation d'austénite (éléments gammagènes). Parmi les éléments alphagènes on trouve Si, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti, Al. Parmi les éléments gammagènes on trouve C, Mn, Ni, Co et Cu. La littérature existante fournit un choix de formules permettant le calcul des équivalents chrome et nickel. On peut citer les travaux de M. SCHNEIDER ou de MM. RICKETT, WHITE, WALTON et BUTLER. Le tableau ci-après donne une indication des coefficients d'aptitude à la formation de ferrite ou d'austénite pour chaque élément d'addition. - 4- I Eléments gammagènes Eléments alphagènes (austénite) Eq i (ferrite) Eq O C - -30 Si + 2 Mn - 0,5 Cr + 1 Ni - 2 Mo +1,5 N2 - 25 V + 5 Co - 2 Nb + 1,75 Cu - 0,5 W + 0,75 B - 40 Ti + 1,5 Ai + 5,5 Les estimations se font en calculant les équations suivantes dans lesquelles les symboles correspondent en masse de l'élément dans l'acier: Nickel équivalent = 30 C + 0,5Mn+ 2 Ni + 25 N2 + 40 B Chrome équivalent = Cr + 2 Si + 1,5 Mo + 5 V + 1,75 Nb Une composition-d'alliage conforme à l'invention aura, sur la base ce qui précède un équivalent chrome compris entre 14,5 et 15,5 et plus avantageusement entre 14,7 et 15,3 un équivalent nickel compris entre 9 et 10,2, le rapport optimum entre l'équivalent chrome et l'équivalent nickel devant être compris entre 1,49 et 1,65. La figure 1 représente un diagramme o l'équivalent chrome est porté en abscisse et l'équivalent nickel est porté en ordonnée. Les structures finales obtenues apparaissent sur la figure 1, les droites tracées indiquant conventionnellement le passage d'une structure à une autre (A étant l'austénite, M la martensite et F la delta-ferrite). Le rectangle a b c d représente la zone d'analyse chimique limitée par les extrêmes des compositions utilisées (7,25 -=- Ni eq Z 11,72 et - 13,12 Dû Cr eq C 16,65) L'optimum est obtenu à l'intérieur du petit rectangle c f g h (voir figure 2) correspondant à 9 et 1,65. Au-dessus de la droite D on peut trouver de l'austénite rési- duelle. En dessous de la droite D' on peut trouver de la ferrite rési- duelle. Dans la zone i f j k h 1 on a de la martensite exempte d'austé- nite et/ou de ferrite résiduelle. Sur la figure 2 on a indiqué en pointillé le rectangle R donnant les limites des compositions préférentielles telles que décrites dans le document FR-A-1 407 452. Pour obtenir les caractéristiques à l'ambiante et aux températures élevées, on soumet après forgeage la pièce dans l'alliage suivant l'in- vention à un traitement thermique déterminé. La description qui est faite ci-après concerne une pièce forgée d'un diamètre de 1400 mm d'un poids de 30 tonnes environ. Une homogénéisation de la pièce réalisée à une température comprise entre 1130 et 1170 C pendant un temps suffisant pour parachever la mise en solution est suivie d'un refroidissement au four jusqu'à 7000C environ. Une austénitisation entre 1050 et 1130 C est suivie d'une trempe (huile, brouillard d'eau ou air pulsé) de façon à ce que la vitesse de refroidissement au coeur de la pièce ne soit pas inférieure à C. h-1: il convient en effet d'éviter une transformation perlitique qui intervient à des vitesses faibles de refroidissement. La température de la pièce est ramenée à une température inférieure à 250 C, la trans- formation martensitique étant complète à cette température. Ensuite la pièce subit un revenu qui lui donnera les caractéris- tiques finales. En fait ce revenu pourra comporter plusieurs stades: une première montée en température jusqu'à 560 C environ (540-600 C) avec maintien pendant 25 h au moins (jusqu'à 48 h). Après refroidissement lent jusqu'à l'ambiante, on procède à un deuxième revenu pour parachever la transformation de l'austénite éventuellement restante, en martensite et donner les caractéristiques désirées à la pièce. Ce traitement se fait à une température comprise entre 650 et 710 C (l'optimum se situant vers 685 C) pendant un temps similaire au premier revenu. Après un refroidissement au four jusqu'à l'ambiante, on procèdera à un traitement de détente à une température inférieure de 30 C environ à la température 6- du deuxième revenu avec un maintien de 25 à 48 h. On a effectué de nombreux essais avec plusieurs compositions dont les compositions suivantes: compositions t 1 2 3 14 éléments \ C % 0,185 0,191 0,19 0,193 Ni % 0,75 0,78 0,80 0,79 Cr % 11,5 11,3 11,4 11,5 Mo % 0,90 0,95 0,98 0, 95 V % 0,32 0,30 0,29 0,31 Nb % 0,13 0,135 0,198 0,201 N2 % 0,072 0,098 0,070 0,098 B % 0,0035 0,0040 0,0032 0,0036 oligoéléments inférieurs aux limites suivantes: 0,020 pour le soufre, 0, 020 pour le phosphore, 0,025 pour le cobalt, 0,010 pour l'aluminium, 0,02 pour le titane, 0,02 pour l'étain, 0,10 pour le euivre, 0,015 pour le tungstène, 0,020 pour l'arsenic et 0,0025 pourl'antimoine. fer complément Les traitement thermiques ont été les suivants: Homogénéisation 1150 C Austénitisation 1080 C trempe brouillard d'eau Revenus 560 C et 685 C Les résultats de rupture instantanée à 550 C sont pour ces aciers: Rm mini 535 MPa R 0,002 mini 460 MPa Rm maxi 600 MPa R 0, 002 maxi 530 MPa - 7- Les essais de fluage - extrapolation Larson et Miller à 550 C (paramètre TK (25 + log t) 10-3) 104 h: 282 MPa 28 h: 185 MPa 14 Les allongements 5d à rupture sont compris entre 13,5 et 21% Les strictions à rupture sont comprises entre 41 et 70%. - 8 - REVENDICATIONS 1/ Acier contenant en masse de 0,16 à 0,22% de carbone (C) moins de 0,3% de silicium (Si) moins de 0,5% de manganèse (Mn) de 0,6 à 0,9% de nickel (Ni) de 10,7 à 12,3% de chrome (Cr) de 0,8 à 1,1% de molybdène (Mo) de 0, 22 à 0,35% de vanadium (V) de 0,07 à 0,20% de niobium (Ni) de 0,05 à 0, 11% d'azote (N2) moins de 0,008% de bore (B) et des quantités résiduelles maximales (en % du poids) 0,020 pour le soufre, 0,020 pour le phosphore, 0,025 pour le cobalt, 0,010 pour l'aluminium, 0,02 pour le titane, 0,02 pour l'étain, 0,10 pour le cuivre, 0,015 pour le tungstène, 0,020 pour l'arsenic et 0,0025 pour l'antimoine, le complément étant en fer. ledit acier ayant un nickel équivalent calculé selon la formule Ni eq = 30 C + 0,5 Mn + 2 Ni + 25 N2 + 40 B compris entre 9 et 10,2 et un chrome équivalent calculé selon la formule Cr eq = Cr + 2 Si + 1,5 Mo + 5 V + 1, 75 Nb compris entre 14,5 et 15,5 le rapport entre le Cr eq et le Ni eq étant compris entre 1,49 et 1,65. 2/ Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chrome équi- valent est compris entre 14,7 et 15,3. 3/ Acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient en poids moins de 0,1% de silicium. 4/ Acier selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il contient moins de 0,3% de manganèse. 5/ Acier selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte 0,005% de bore. 6/ Procédé de traitement après forgeage d'une pièce en acier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: -9- - homogénéisation de la pièce réalisée à une température comprise entre 1130 et 1170 C pendant un temps suffisant pour parachever la mise en solution suivie d'un refroidissement lent au four jusqu'à 700 C environ - austénitisation entre 1058 C et 1130 C suivie d'une trempe ramenant la température à 250 C - revenu lui donnant les caractéristiques finales. 7/ Procédé de traitement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le revenu comporte les stades suivants - première montée en température Jusqu'à une température 1 comprise entre 540 et 600 C, de préférence 560 C, avec maintien pendant un temps t au moins égal à 25 h. refroidissement lent Jusqu'à l'ambiante - seconde montée en température jusqu'à une température o 2 comprise entre 650 C et 710 C, de préférence égale à 685 C, avec maintien pendant le temps t - refroidissement lent jusqu'à l'ambiante 8/ Procédé de traitement selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revenu est suivi d'un traitement de détente à une tempéra- ture 3 = 0 2 - o maintenu pendant un temps au moins égal à 25 h, avece o compris entre 30 C et 50 C.