Brevet FR2616807A1 — publié le 19881223

Z616807 Ai I TAGFS PP.ITAkT fIE S Y FI IFNTI RFPPl7 TAUrF A i ' F - Dr La présente invention se rapporte à des alliages présentant une excellente résistance à l'érosion et con- venant à l'utilisation dans des instruments et pièces comme par exemple des écrans ou boucliers anti-érosion dans les turbines, vannes, etc. qui sont sensibles à l'érosion par des fluides. Les stellites qui sont des alliages à base de Co-Cr-W-C présentent une résistance à l'érosion et une robustesse mécanique excellentes et sont maintenant uti- lisées en tant que matériaux principaux pour les instru- ments et pièces tels que les boucliers ou blindages an- ti-érosion et sièges de soupape dans les centrales nu- cléaires ou usines d'énergie atomique pouvant être sou- mis à l'érosion. Les stellites, toutefois, contiennent un pour- centage élevé de cobalt et ont occasionné des incidents de radioactivité liés à la radioactivation du cobalt lorsque les stellites sont utilisées pour les centrales d'énergie atomique. L'objet de la présente invention consiste par conséquent, compte tenu de ces problèmes, à fournir des alliages qui soient exempts de cobalt et présentent une résistance à l'érosion et une robustesse mécanique ex- cellentes. L'excellente résistance à l'érosion des stelli- tes peut être considérée comme étant le résultat de l'absorption des forces de chocs ou d'impacts grâce à la transformation martensitique de la structure cristalline depuis un système cubique à faces centrées en un système hexagonal très condensé. Par conséquent, afin de pallier le problème précité, les auteurs de la présente inven- tion ont apporté une attention toute particulière et ont 26168Q07 effectué des recherches extensives en matière de ferro- alliages ayant une teneur élevée en manganèse autres que des alliages à base de cobalt, lesquels sont suscepti- bles de provoquer cette transformation. En conséquence, on a récemment découvert que les alliages & base de Fe- Mn-Cr s'avéraient très prometteurs. De plus, on a décou- vert expérimentalement que le renforcement d'alliages & base de Fe-Mn-Cr par du carbure de vanadium se révèle efficace pour accroitre la résistance à l'érosion. La présente invention a par conséquent été réalisée sur cette découverte. En d'autres termes, un des aspects de la présen- te invention concerne un alliage présentant une excel- lente résistance à l'érosion qui comprend 0,35-2,7 % en poids de carbone, pas plus de 2,5 % en poids de sili- ciuh, 10-25 % en poids de manganèse, 6-20 % en poids de chrome, 0,5-11 % en poids de vanadium, pas plus de 0,1 % en poids d'azote et le reste étant essentiellement cons- titué par du fer. Un autre aspect de la présente inven- tion concerne un alliage présentant une résistance & l'érosion supérieure, lequel est obtenu en alliant au moins pas plus de 3 % en poids de nickel et pas plus de 4 % en poids de molybdène avec l'alliage précité. Etant donné que le carbone forme du carbure de vanadium, le carbone est un élément nécessaire pour aug- menter la résistance à l'érosion et la robustesse méca- nique. Lorsque la teneur en carbone est inférieure à 0,35 % en poids, on obtient un effet mineur en raison de la trop faible quantité de carbure. En revanche, un ef- fet préjudiciable à la résistance à la corrosion est lié & une teneur en carbone supérieure à 2,7 % en poids. Par conséquent, la teneur en carbone préférée se situe dans le domaine de 0,35-2,7 % en poids. Bien que le silicium constitue un élément effi- cace en tant que désoxydant, il ne faut pas s'attendre & une amélioration plus poussée de la désoxydation même Z616807 avec une quantité dépassant 2,5 % en poids. Par consé- quent la teneur en silicium maximale est de préférence de 2,5 % en poids. Le manganèse stabilise l'austénite et absorbe les forces de chocs en permettant la transformation mar- tensitique (transformation emartensitique) par l'impact du fluide. Ainsi, le manganèse est un élément souhaité pour améliorer la résistance & l'érosion. Lorsque la te- neur en manganèse est inférieure à 10 % en poids, l'aus- ténite devient instable et il se forme de la ferrite ou de la martensite. Par conséquent, la quantité de trans- formation martensitique est réduite et la résistance à l'érosion s'en trouve amoindrie. En revanche, lorsque la teneur en manganèse est supérieure à 25 % en poids, l'austénite devient alors trop stabilisée. Par consé- quent, la transformation martensitique s'effectue diffi- cilement et la résistance à l'érosion est dégradée. Par conséquent, la teneur préférée en manganèse se situe dans la fourchette de 10-25 % en poids. Le chrome est un élément souhaité pour accroître la résistance à l'érosion ainsi que la résistance à la corrosion. Lorsque la teneur en chrome est inférieure à 6 % en poids, la résistance à la corrosion en particu- lier se trouve amoindrie. Lorsque la teneur en chrome est supérieure à 20 % en poids, de la ferrite ou une phase o-phase est susceptible de se former et la résis- tance à l'érosion est amoindrie. Par conséquent, la te- neur en chrome se situe de préférence dans le domaine de 6-20 % en poids. Le vanadium forme du carbure et il s'agit d'un élément souhaité pour améliorer la résistance mécanique et la résistance à l'érosion. Un effet mineur est obtenu lorsque la teneur en vanadium est inférieure à 0,5 % en poids, tandis qu'un effet préjudiciable à l'égard des caractéristiques du façonnage à chaud est créé par une teneur en vanadium supérieure à 11 % en poids. Par con- séquent, la teneur en vanadium préférée se situe dans le domaine de 0,5-11 % en poids. L'azote est un élément susceptible de donner lieu à une contamination en tant qu'impureté dans des alliages à teneur élevée en manganèse. L'azote forme du nitrure avec le vanadium et empêche la formation de car- bure de vanadium. Etant donné que l'azote ne provoque aucun problème dans l'application pratique pour une quantité de 0,1 % en poids ou moins, la teneur non supé- rieure à 0,1 % en poids est préférable. De façon analogue, le nickel est un élément qui est efficace à l'instar du manganèse pour la stabilisa- tion de l'austénite. Lorsque la teneur en nickel dépasse 3 % en poids, l'austénite devient trop stabilisée et la résistance à l'érosion s'en trouve amoindrie. Par consé- quent, la teneur maximale en nickel est de 3 % en poids. Le molybdène est un élément efficace pour amé- liorer la résistance mécanique et la résistance à la corrosion. Etant donné que la robustesse est détériorée par la présence de molybdène audessus de 4 % en poids, la teneur maximale en molybdène est de 4 % en poids. Les alliages de la présente invention ne con- tiennent pas de cobalt et le produit obtenu est excel- lent sur le plan de la résistance & l'érosion et de la robustesse mécanique. Par conséquent, ces alliages peu- vent être appliqués aux matériaux d'instruments et piè- ces tels que des écrans ou boucliers anti-érosion pour aubes de turbines et vannes qui sont sensibles à l'éro- sion dans les usines d'énergie atomique. Ces alliages présentent des avantages remarquables sur le plan indus- triel comme par exemple l'affranchissement de problèmes vis-à-vis de la radioactivité, le faible coût et une diminution des dommages liés à l'érosion. On va ci-après décrire l'invention à l'aide d'exemples. 26168 07 Parmi les alliages présentant les compositions indiquées dans le tableau 1, les alliages conformément à l'invention de l'échantillon n' 1-17 et des alliages comparatifs de l'échantillon n' 18-23 ont été coulés dans un four à induction à haute fréquence en vue de la préparation de lingots d'un poids de 10 kg. Tous les lingots ont été finis par façonnage & chaud pour obtenir des barres présentant une section carrée de 30 mm. A partir de ces barres, on a préparé des éprouvettes, qui ont été traitées thermiquement et soumises à un façonna- ge d'éprouvettes. Les conditions du traitement thermique des alliages conformes à l'invention n' 1-17 et ceux des alliages comparatifs étaient les suivantes. Les alliages ont été chauffés à 1150'C pendant une heure pour former des solutions solides, puis ont été refroidis à l'eau, opération suivie d'un traitement de vieillissement & 750'C pendant 1-2 heures et refroidis à l'air. Quant aux alliages classiques, le n' 24 est le SUS 304, le n' 25 le SUS 202, le n' 26 est de l'acier à température élevée au chrome 13 et le n' 27 est une stellite. Le tableau 2 rassemble les résultats de ces échantillons mesurés sur la perte pondérale résultant de l'érosion par cavita- tion, la limite d'allongement et la limite apparente d'élasticité à 2 % dans l'essai de traction. La résis- tance à l'érosion a été évaluée par la perte pondérale dans l'essai d'érosion par cavitation. Les conditions d'essai étaient celles conformes au procédé de la Japan Society for the Promotion of Science sauf que la fré- quence des vibrations était de 6,5 kHz, l'amplitude était de 90 pm, le liquide d'essai était de l'eau pure à 'C et la durée des essais de 4 heures. Comme cela ressort clairement du tableau 2, les alliages de la présente invention présentent une très faible perte d'érosion par cavitation par rapport aux alliages comparatifs et présentent également une perte 26 1 6807 de 10 mg ou.moins de façon analogue à celle de la stel- lite dans les alliages classiques. Ces valeurs numéri- ques permettent de constater une excellente résistance à l'érosion. De plus, les alliages de la présente inven- tion présentent également une robustesse mécanique éle- vée telle qu'une limite apparente d'élasticité et limite d'allongement à 0,2 % qui sont supérieures à celles des alliages classiques. De plus, l'essai de fissure de corrosion sous contrainte a été réalisé dans une solution de MgCl2 aqueuse à 20 % à 50'C sous application de la contrainte de traction. Le tableau 3 rassemble les résultats des essais sur les alliages de la présente invention n' 2 et n' 10 ainsi que de l'alliage classique n' 27. Les résul- tats montrent que les alliages de la présente invention présentent une résistance remarquable vis-à-vis de l'es- sai de fissure de corrosion sous contrainte par rapport à l'alliage classique. 26 1 6807 T A R I F A i 1 Echan- Composition chimique (% en poids) Note tillon C Si Mn Ni Cr No V Fe N I 0,54 1,19 12,33 2,24 10,23 -- 2,02 Reste 0,037 Alliage de l'invention 2 0,56 1,05 15,06 0,01 10,14 0,01 2,02 a 0,039 3 0, 55 2,17 15,16 0,01 10,09 0,01 2,03 a 0,055 4 0,54 0,03 14,86 -- 9,67 -- 1,87 0,056 0,55 0,22 14,84 -- 14,12 0,01 2,04 0,046 6 0,55 0,27 14,88 -- 11,97 0,01 1,99 a 0,053 7 0,57 0,31 14,95 -- 9,88 0,01 1,96 à 0,035 8 0,56 0,25 14,73 0,01 8,02 0,01 2,03 ' 0,041 9 0,77 0,35 14,90 0,01 10,04 0.01 3,24 a 0,048 0,97 0,34 15,23 -- 10,11 0,01 4,33 0,051 il 0,55 0,31 15,10 0,02 7,83 1,99 1,98 0,039 12 0,35 0,30 14,78 0,01 9,87 0,01 1,03 * 0,047 13 0,56 1,08 12,68 0,02 10,23 0,01 2,01. 0041 14 0,56 1,07 10,11 0,03 10,10 0,01 2,01 a 0,049 0,55 1,09 12,66 2,49 10, 10 0,01 2,03 a 0,042 16 0,55 0,37 15,13 0,01 15,30 -- 1,99 a 0,085 17 0, 56 0,34 20,39 0,02 10,35 -- 2,08 a 0,060 a 18 0,56 0,32 15,30 0,01 20,06 - 1,98 0,45 Alliage comparatif 19 0,57 0,32 25,29 0,02 15,07 -- 2,10 a 0, 036 0,54 1,14 15,37 0,01 10,19 0,01 2,02 0,37 21 0,055 1,01 14,89 -- 9,97 -- 2,02 a 0,42 22 0,54 1,06 10,12 4,98 10,02 - 1,97 a 0,059 23 0,12 0,22 14,54 -- 9,85 -- 0,03 0,066 24 0,017 0,50 0,74 9,50 18,5 -- a -- Alliage classique 0,084 0,44 8,55 4,96 17,7. _-- 0,24 26 0,11 0,44 0,43 1,51 12,87 1,52 __ __ V CO 27 1,11 0,61 1,51 2,25 29,1 4,06 reste 1,02 -- TA R P A i Perte due à l'éro- limite Echan- sion par cavitation d'allon- limite appa- tillon (après 4 heures) ment à rente d'élas- 0,2 % ticité N (mg) (kgf/mm2) (kgf/mm2) 1 6,2 94,4 129,8 2 5,6 91,6 134,0 3 6,1 84,9 132,7 4 4,6 87,5 133,2 5,9 94,9 130,4 6 5,3 93,1 132,5 7 4,3 90,7 134,7 8 4,8 85,0 134,9 9 5,0 87,0 132,9 4,4 85,5 135,4 11 4,8 95,8 136,4 12 7,7 64,0 108,3 13 7,9 86,4 125,0 14 9,0 78,7 138,7 7,7 90,5 128,1 16 9,8 108,3 131,4 17 8,7 105,8 134,0 18 12,3 99,8 130,0 19 26,5 85,3 114,1 12,6 85,8 122,3 21 21,4 37,8 103,2 22 17,8 86,5 118,5 23 15,7 25,7 109,3 24 97,1 19,1 60,8 34,1 40,1 75,9 26 45,3 85,9 104,9 27 3,5 62,7 111,1 On rappelle que 1 kgf/mm2 est égal à 9,81 MPa T A R I A U 1 Rapport à la Temps de l'essai: Echan- Contrainte limite appa- de fissure de tillon (kgf/m2) rente d'élas- corrosion sous Note N' ticité contrainte (h) (20% MgCl2, 50'C) 0,75 > 500 Alliage de l'invention 2 108 0,8 > 500 121 0,9 7,5 122 0,9 4,3 89 0,8 1,0 Alliage classique 0,9 0,4 On rappelle que: 1 kgf/mm2 est égal à 9,81 MPa REVENDICATIONS 1. Alliage présentant une excellente résistance à l'érosion, caractérisé en ce qu'il comprend 0,35-2,7 % en poids de carbone, pas plus de 2,5 % en poids de sili- cium, 10-25 % en poids de manganèse, 6-20 % en poids de chrome, 0,5-11 % en poids de vanadium, pas plus de 0,1 % en poids d'azote et le reste étant essentiellement cons- titué par du fer. 2. Alliage présentant une résistance à l'érosion supérieure, caractérisé en ce que pas plus de 3 % en poids du nickel et pas plus de 4 % en poids de molybdène sont alliés avec un alliage contenant 0,35-2,7 % en poids de carbone, pas plus de 2,5 % en poids de sili- cium, 10-25 % en poids de manganèse, 6-20 À en poids de chrome, 0,5-11 % en poids de vanadium, pas plus de 0,1 % en poids d'azote et le reste étant essentiellement cons- titué par du fer.