Brevet FR2573440A1 — publié le 19860523

La présente invention se rapporte à des aciers au chrome-nickel-silicium qui sont particulièrement adaptés à une utilisation comme composants dans des opérations nucléaires. Plus particulièrement, elle se rapporte à des aciers alliés de manière à obtenir une combinaison optimale de propriétés d'usure et techniques. La conception et la construction des installations nucléaires nécessitent une combinaison de certaines proprié- tés techniques très spécialisées dans des composants de métaux critiques. Les alliages doivent avoir un degré élevé de propriétés mécaniques, chimiques et physiques, comprenant des caractéristiques nucléaires favorables, comme une courte demi-vie, une résistance à une dégradation par les radiations et analogues. On dispose de nombreux alliages dans la technique, qui offrent un certain nombre de ces propriétés et caracté- ristiques. Cependant, aucun n'est connu comme offrant une combinaison optimale pour une utilisation comme acier de qualité nucléaire. Le brevet US N I 790 177, par exemple, révèle certains alliages d'acier suggérés pour une grande variété d'usages. Ces alliages à base de fer contiennent du chrome, du nickel, du silicium et du carbone comme éléments requis d'alliage comme le montre le tableau 1. Les alliages brevetés n'ont pas une combinaison optimale des propriétés pour une utilisation comme composants dans des installations nucléaires critiques. Tableau 1 Gammes de composition, en pourcentage pondérai, reste:fer Art antérieur Cr Ni Si C Nb Nb + V N Co Brevet US 25 à 35 5 à 15 3,5 à 8 1 à 4 néant néant - - I 790 177 Alliage 128 29,28 10,65 4,89 0,96 néant néant 0,04 1,43 Alliage 144 28,45 9,43 4,85 2,05 néant néant 0,03 0,44 Alliage 84 25,06 10,10 6,34 0,88 néant néant 0,06 0,24 Al!iagE de cette invention Large gamme 15 à moins 5 à 15 2,7 à 5,5 1 à 3 - 5 - 15 0,15 max jusqu'à 1,5 de 25 Intermédiaire 17 à 22 7 à 13 3 à 5,5 1,5 à 2,5 - 6 - 12 0,1 max jusqu'à 1,5 Préférée environ 20 environ 10 environ 5,0 environ 1,5 - environ 8 environ 0,05 jusqu'à 1 Alliage 51 19,99 9,54 5,13 1,67 7,38 environ 7,5 0,06 0,88 Alliage 52 19,64 9,64 5,29 1,78 3,77 8,84 0,06 1,06 ru U-t L>1 úN Q La présente invention a pour objectif principal de produire un acier allié éminemment adapté à une utilisa- tion pour des composants critiques dans des installations nucléaires. La présente invention a pour autre objet de produire un acier allié ayant une combinaison optimale de propriétés requises et à-un faible prix. D'autres objets peuvent être discernés par les descriptions et données qui suivent. Le tableau 1 donne les gammes de composition de l'alliage de l'invention ainsi que les gammes de composition révélées dans le brevet US 1 790 177 et certains alliages expérimentaux de l'art antérieur. Le reste de la composition de l'alliage comprend du fer plus les impuretés normales trouvées dans des alliages de cette classe. La plus grande partie des impuretés peuvent être des résidus accidentels des éléments d'alliage ou des étapes de traitement. Certaines des impuretés peuvent être bénéfiques, certaines inoffensives et certaines nocives comme on le sait bien pour cette classe d'alliages à base de fer. Le chrome, le nickel, le silicium et le carbone sont présents dans l'alliage pour offrir les propriétés définies dans le brevet US i 790 177. Le chrome ne doit pas dépasser 25%. Plus de 25% de chrome ont tendance à réduire la ductilité de l'alliage limitant ainsi les propriétés de travail à chaud et à froid. Il faut qu'il y ait au moins 15% de chrome dans l'alliage pour produire un degré adéquat de résistance à la corrosion. 30. Le nickel protège l'alliage de la transformation cubique-centrée dans le corps. On pense que trop peu n'offre pas de protection. On pense que trop modifie les caractéristiques de déformation et de fracture de la matrice par son influence sur SFE (énergie de défaut d'empilage). La gamme de 5 à 15% produira cependant un équilibre approprié, mais on préfère pour les meilleurs résultats environ 7 à 13%. Le silicium doit être présent dans la gamme de 2,7 à 5,5%. Des teneurs inférieures ne produiront pas une fluidité suffisante pour les opérations de moulage et de soudage. Des teneurs au delà de 5,5% ont tendance à favoriser la formatLion de produits intermétalliques excessifs dans la matrice. Le carbone doit être présent à raison de plus de 1% pour offrir la résistance tandis que des teneurs au delà de 3% peuvent avoir pour résultat une fragilité inacceptable. Les variations de composition (comme carbone, silicium) peuvent être ajustées selon la compétence pour obtenir un alliage qui peut être travaillé à chaud et/ou à froid en produits ouvrés utiles. Le niobium plus le vanadium doivent être présents au delà de 5% pour empêcher le chrome de se combiner avec le carbone pour ainsi affaiblir la matrice. Au delà de %, cela aura pour résultat une solution solide de propriétés modifiées. On préfère, pour les meilleurs bénéfices, 6 à 12%. Le cobalt n'est pas requis dans l'alliage de cette invention lorsqu'il est utilisé en tant qu'article dans des opérations nucléaires. Les propriétés nucléaires du cobalt (rayonnement et longue demi-vie) suggèrent que les teneurs en cobalt doivent être limitées à moins de 1,5% et de préférence 1,0%, en tant qu'élément accidentel couramment trouvé dans des alliages de cette classe. L'azote doit être contrôlé dans l'alliage de cette invention pour ne pas dépasser 0,15%. Au delà de 0,15%, cela peut donner une teneur excessive en nitrures et/ou une ductilité réduite. Les alliages expérimentaux dont la liste est donnée au tableau 1 ont été produits par le procédé de coulage par aspiration essentiellement tel que révélé dans le brevet US N 4 458 741. Il n'y a eu aucun problème particulier associé avec les opérations d'alliage et de coulée. Pour la plus grande partie, des échantillons d'essai ont été facilement prépares en utilisant un processus de soudage à l'arc avec électrode de tungstène sous gaz protecteur en tant que dépôts en deux couches sur un substrat d'acier de qualité 1020 et également en tant que dépôts non dilués sur des blocs de cuivre refroidis. Les alliages ont subi des essais de dureté sur les machines d'essai de dureté standards Rockwell. Les résultats de ces essais au tableau 2 ci-dessous montrent que, en général, les valeurs de dureté sont essentiellement les mêmes pour tous les alliages à l'exception de l'Alliage 52. Cela est un peu inattendu étant donné les différences importantes de composition des alliages. La dureté exceptionnelledel'Alliage 52 peut être attribuée à la teneur en niobium et en vanadium qui peuvent produire des formations de carbure complexes. Ainsi, la teneur en niobium et en vanadium est préférée lorsqu'il faut une dureté élevée. Tableau 2 Dureté à la température ambiante d'alliages expérimentaux Alliage Dureté, Rockwell WC" 128 44,0 144 43,5 51 40,5 52 53,1 84 43,0 Les essais d'impact de Charpy ont été faits sur des échantillons non entaillés des Alliages 144 et 51. Les résultats sont montrés au tableau 3 ci-dessous. L'Alliage 51, de cette invention, a une plus forte résis- tance au choc que l'Alliage 144, alliage préféré du brevet US N 1 790 177. Il est intéressant que les alliages standards connus de cette classe aient des valeurs de réssistance au choc semblables à l'Alliage 144. Tableau 3 Résistance au choc sans entaille Charpy d'alliages expérimentaux Alliage Résistance au choc - Joules 144 4,0 51 5,5 Une série d'essais d'abrasion a été accomplie avec les alliages expérimentaux. L'essai bien connu de la "roue de caoutchouc au sable sec" tel que décrit par la American Society for Testing Materials, ASTM test G65, a été utilisé. Les valeurs de résultatsd'essai, données au tableau 4 ci-dessous, se rapportent à 2.000 tours de la roue en caoutchouc et à une charge d'essai de 13,6 kg. Les Alliages 51 et 52 de cette invention ont la plus faible perte de volume. L'Alliage 52 semble résister plus efficacement à l'abrasion, probablement du fait de la teneur combinée en niobium et vanadium. Tableau 4 Résistance à l'abrasion d'alliages expérimentaux Alliage Perte de volume - mm 128 81,9 144 85,8 84 89,6 51 62,0 52 40,8 R E V E N D I C A T I 0 N S_ 1.- Acier inoxydable approprié pour une utilisation comme composant dans des installations nucléaires, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en, en pourcentage pondéral, 15 à moins de 25% de chrome, 5 à 15% de nickel, 2,7 à 5,5% de silicium, 1 à 3% de carbone, à 15% de niobium plus vanadium, jusqu'à 0,15% d'azote, jusqu'à 1,5% de cobalt, le reste étant du fer plus des impuretés. 2.- Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chrome représente 17 à 22%, le nickel 7 à 13%, le silicium 3 à 5,5%, le carbone 1,5 à 2,5%, le niobium plus vanadium 6 à 12%, et l'azote atteint 0,1%. 3.- Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que- le chrome représente environ 20%, le nickel environ %, le silicium environ 5,0%, le carbone environ 1,5%, le niobium plus vanadium environ 8%, l'azote environ 0,05%. 4.- Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chrome représente environ 20%, le nickel environ 10,5%, le silicium environ 5%, le carbone environ 1,7%, le niobium environ 7,5%, l'azote environ 0,06% et le cobalt moins de 1,0%. 5.- Alliage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le niobium représente environ 3,75% et le vanadium environ 5%. 6.- Article de manufacture à utiliser comme composant dans des installations nucléaires, caractérisé en ce qu'il est enduit de l'alliage selon la revendication 1. 7.- Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un moulage, d'un soudage ou d'un matériau de rechargement,une poudre, un produit ouvré ou une pièce de métallurgie des poudres.