Brevet FR2658207A1 — publié le 19910816

La présente invention concerne un acier de chaudronnerie et/ou de construction faiblement allié, utilisable notamment en milieux hydrogénés tels que des gaz enrichis en Hz S, cet acier contenant en particulier de 0,050 à 0,250 % de carbone, en poids et au moins un élément d'alliage pris notamment parmi le silicium, le manganèse, le nickel, le chrome, le molybdène. Les aciers faiblement alliés, du fait de la présence, dans leur composition, de carbone et d'élé- ments trempants, en proportion définie, présentent une résistance, une soudabilité et une résilience assurant la réalisation de produits qui peuvent être utilisés par exemple, en pétrochimie ou dans le transport de gaz. Ces aciers contiennent dans leur masse, des discontinuités physiques et chimiques comme par exemple, des inclusions qui engendrent lamorce de fissures sous l'action de l'hydrogène, ou encore des parties ségrégées formées lors de la solidification de l'acier. Les parties ségrégées obtenues lors de la solidification sont plus riches en éléments d'addition, ce qui augmente localement leur trempabilité et leur fragilité, et les rendent plus sensibles, par exemple, à la fissuration par l'hydrogène. Certaines utilisations nécessitant par exemple un soudage peuvent également donner lieu à la formation de fissurations Dans un domaine d'application particulier, à savoir l'utilisation de ces produits en milieux hydrogé- nés tels que des gaz enrichis en H 2 S, le risque de fissuration est augmenté par la présence de l'hydrogène introduit ou résiduel dissous dans le métal Un tel risque limite l'intérêt desdits aciers dans cette appli- cation L'hydrogène tend à s'accumuler, au sein du métal, au niveau des inclusions, par exemple les inclu- sions de sulfure, pour créer des microvolumes de gaz qui génèrent la fissuration du métal. De plus l'accumulation de J/hydrogène dans les parties ségrégées isolées ou environnant les inclusions, est d'autant plus nocive que ces parties ont une concen- tration en éléments durcissants élevée, donc une fragi- lité plus grande. Le but de l'invention est de réduire ou d'éli- miner les inconvénients décrits ci-dessus en proposant un acier faiblement allié renfermant en proportions pondérales de 0,05 à 0,25 % de carbone et au moins un élément d'alliage pris notamment parmi le silicium, le manganèse, le nickel, le chrome, le molybdène dans une proportion ne dépassant pas, au total, 10 %, le reste étant constitué par du fer et des impuretés résiduelles résultant de la fusion des matières nécessaires à l'éla- boration, l-acier étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre de 0,05 à 1 % de cobalt. Le cobalt a, dans J/invention, une triple fonction mise en évidence ciaprès: la diminution de la dureté et de la fragili- té des zones ségrégées par son effet antitrempant, un accroissement de l'aptitude à l'adoucis- sement du métal, au revenu, le piégeage de l'hydrogène. Selon une caractéristique de l'invention, l'acier faiblement allié comprend en outre dans sa composition pondérale de base des éléments carburigènes pris notamment parmi le niobium et le vanadium en teneur inférieure à 0,2 %. De préférence, la composition pondérale de l'acier faiblement allié est la suivante 0,05 à 0,250 % de carbone moins de 1 % de silicium moins de 2 % de manganèse moins de 2 % de nickel moins de 2 % de chrome moins de 1 % de molybdène de 0,05 à 1 % de cobalt, le reste étant constitué par du fer et des impuretés résultant de la fusion des matières nécessaires à l'éla- boration. L'invention est décrite ci-après au moyen d'essais comparatifs et en regard des courbes et dia- grammes annexes parmi lesquels: La figure 1 représente deux courbes compara- tives représentant les températures de transformation en fonction des vitesses de refroidissement (TRC) pour deux aciers pris en exemple. La figure 2 représente deux courbes compara- tives des caractéristiques de dureté Vickers, en fonc- tion de la température de préchauffage pour les deux aciers pris en exemple. La figure 3 est un diagramme donnant les contraintes limites de fissuration mesurées sur des éprouvettes d'essai de soudure réalisées avec les aciers pris en exemple Parmi les deux aciers pris en exemple, l'un est un acier selon l'invention, l'autre est un acier de référence ayant la même composition de base que celui de l'invention mais ne contenant pas de cobalt. La description des différents essais met en évidence l'effet de l'introduction de l'élément cobalt dans la composition d'aciers de chaudronnerie et/ou de construction, faiblement alliés. On entend par acier faiblement allié un acier au carbone dans lequel est introduit, lors de l'élabora- tion, au moins un élément d'alliage tel que le manganè- se, le nickel, le chrome, le molybdène, dans une propor- tion pondérale ne dépassant pas environ 10 %. L'acier selon l'invention pris en-exemple a la composition pondérale suivante 0,2 % de carbone 1,1 % de manganèse 0,3 % de silicium 0,25 % de nickel 0,15 % de chrome 0,05 % de molybdène 0,15 % de cobalt 0,001 % de soufre 0,007 % de phosphore. Le silicium introduit dans l'élaboration de l'acier est un désoxydant utilisé couramment en sidérur- gie. Le manganèse est un des éléments trempants qui contribue à donner de la dureté à l'acier tout en ne détruisant pas la tenacité et la résilience. Bien que le manganèse soit utilisé préféren- tiellement pour son faible coût, il pourrait soit être remplacé par d'autres éléments trempants tels que le nickel, le chrome, le molybdène, soit combiné avec au moins un des ces éléments. Le soufre et le phosphore de la composition étudiée sont des impuretés résiduelles résultant de la fusion des matières nécessaires à l'élaboration. La présence des éléments et leurs proportions respectives sont fonction des traitements thermiques appliqués et du niveau de caractéristiques mécaniques recherché selon l'application. On va maintenant décrire des essais effectués sur un acier de référence et sur un acier suivant l'in- vention pour montrer l'effet du cobalt sur différentes propriétés des aciers faiblement alliés envisagés. Essai 1 Transformation en refroidissement continu (TRC) montrant l'effet antitrempant du cobalt: La figure 1 représente deux courbes compara- tives des températures de transformation T relevées à différentes vitesses de refroidissement VR La courbe 1 est une caractéristique TRC de l'acier de référence alors que la courbe 2 est la caractéristique TRC de l'acier au cobalt selon l'invention. Pour les vitesses de refroidissement comprises entre 5 x 105 et 1060 C/heure, il se forme dans l Jacier de référence uniquement de la martensite très dure générant un durcissement par trempe, alors que dans ce même intervalle de température entre 600 et 4000 C, il y a, dans l'acier selon l'invention, principalement formation de bainite beaucoup moins dure générant un adoucissement de l'acier. D'une autre façon, alors que la martensite se forme dans l'acier de référence pour des vitesses de refroidissement supérieures à 5 x 1 00 EC/heure, la marten- site dans l'acier selon l'invention ne se forme que pour des vitesses de refroidissement supérieures à 1065 C/heu- re. Ceci met en évidence l'effet dit antitrempant de l'élément cobalt dans la composition des aciers faiblement alliés Cet effet antitrempant est surtout accusé dans les zones ségrégées du fait de la ségréga- tion propre du cobalt Il en résulte une réduction de la dureté des zones ségrégées et donc, une réduction de leur tendance à la fissuration. Essai 2 Mesure de la dureté montrant l'adou- cissement des zones affectées par la chaleur due au soudage: Les mesures de dureté sont réalisées dans des zones affectées par la chaleur due au soudage (ZAC). La figure 2 présente deux courbes de dureté Vickers HV, en fonction de la température de préchauf- fage T des aciers testés, la courbe 1 étant une caracté- ristique de dureté de l'acier de référence alors que la courbe 2 est celle de l'acier contenant du cobalt selon l'invention. L'adoucissement observé dans les zones affec- tées par la chaleur de soudage s'explique par une meil- leure aptitude de l'acier contenant du cobalt à l'adou- cissement par autorevenu lors de son refroidissement On a en effet constaté, dans les conditions de refroidisse- ment après soudage, que la structure de trempe est identique pour les deux aciers testés. Le cobalt présente aussi une certaine aptitude à piéger 1/hydrogène de manière réversible Lorsqu'il est réparti dans la masse, il absorbe une partie de l'hydrogène dissout qui diffuse et réduit ainsi la concentration dudit hydrogène dans les parties ségrégées et les inclusions plus sensibles à la fissuration. Essai 3 Mise en évidence de la densité de fissures dues à l'hydrogène La mise en évidence de la diminution par le cobalt du nombre de fissures dans un acier faiblement allié selon l'invention est obtenue en trempant dans un bain d'acide, pendant un temps déterminé, un échantillon d-acier de référence et un échantillon d'acier au cobalt. Les ions H de l'acide diffusent dans la masse des deux échantillons et provoquent des fissures. La comparaison des échantillons, après révéla- tion des fissures permet de mettre en évidence une réduction d'un facteur 4 environ du nombre desdites fissures révélées dans l'acier selon l'invention En pratique, ceci conduit à la quasi disparation des ris- ques dus à la fissuration dans 1/acier selon l'inven- tion, dans des conditions o la fissuration resterait importante avec des aciers équivalents sans cobalt. 7 - Essai 4 Fissuration sous contrainte En raison de sa capacité à accroître l'adou- cissement de l'acier lors de séjours à températures modérées, le cobalt contenu dans l'acier permet d'obte-, nir des zones affectées par la chaleur plus douces, c'est-à-dire autorevenues et donc moins susceptibles de fissurations. Des essais de fissuration sous contrainte sont représentés par le diagramme de la figure 3 sur lequel sont matérialisées d'une part, les contraintes limites à la fissuration pour deux éprouvettes soudées, prises en sens travers et en sens long dans une tôle d'acier laminée de référence et, d'autre part, les contraintes limites pour deux éprouvettes soudées, prises aussi en sens travers et en sens long, dans une bande d'acier selon l'invention On remarque une amélioration de la contrainte limite de fissuration pour les éprouvettes en acier contenant du cobalt selon l'invention. Quand l'acier est soumis à un post ou pré- chauffage lors d'une opération de soudage, on constate, pour une contrainte déterminée, que l'acier selon l'in- vention permet une température minimale de pré et post chauffage bien inférieure à celle de lacier de référen- ce, ce qui permet une réduction des précautions contrai- gnantes de soudage. Les avantages de l'introduction du cobalt dans les aciers faiblement alliés selon linvention sont: la diminution des fissurations dues à l'hy- drogène, la faculté d-absorber une partie de l'hydro- gène dissout ou diffusé, l'effet d-adoucissement. Bien qu'il soit possible d'envisager d'ajouter du cobalt à des aciers différents des aciers pour mi- lieux hydrogénés suivant l'invention, en particulier pour bénéficier de l'effet antitrempant et de l'aptitude à l'adoucissement par autorevenu accompagnant une addi- tion de cobalt, les effets et avantages obtenus sont beaucoup plus faibles que ceux obtenus dans le cas des aciers selon l'invention qui présentent un ensemble de propriétés tout-à-fait remarquables et parfaitement adaptées à leurs domaines d'utilisation habituels. REVEVNDICATIONS 1. Acier de-chaudronnerie et/ou de construc- tion faiblement allié utilisable notamment dans des milieux hydrogénés tels que des gaz enrichis en H 25, renfermant en proportions pondérales de 0,050 à 0,250 % de carbone et moins de 10 % d'au moins un élément d'al- liage pris notamment parmi le silicium, le manganèse, le nickel, le chrome, le molybdène, caractérisé en ce qu'il comprend en outre de 0,05 à t % de cobalt, le reste étant constitué par du fer et des impuretés résiduelles résultant de la fusion des matières nécessaires à l'éla- boration. 2. Acier selon la revendication i caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans sa composition pondé- rale de base des éléments carburigènes pris notamment parmi le niobium et le vanadium en une teneur inférieure à 0,2 %_ 3. Acier selon l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce que sa composition chimique pondé- rale est la suivante: de 0,050 à 0,250 % de carbone moins de L % de silicium moins de 2 % de manganèse moins de 2 % de nickel moins de 2 % de chrome moins de 1 % de molybdène de 0,05 à 1 % de cobalt,- le reste étant constitué par du fer et des impuretés résiduelles résultant de la fusion des matières néces- saires à 1/élaboration. 4. Acier selon l'une des revendications 1 à 3 comportant des ségrégations d'éléments d'alliage favorisant la trempe, caractérisé par le fait que du cobalt est présent dans les ségrégations, de manière à réduire localement la trempabilité de l'acier lors d'un refroidissement- Acier selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que du cobalt est réparti dans la masse de l'acier, de manière à piéger de façon non réversible de l'hydrogène contenu ou diffusant dans l'acier- 6 Acier selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que du cobalt est réparti dans la masse de l'acier, de manière à favoriser l'adou- cissement au revenu de J/acier lors d-un échauffement au moins local de cet acier, par exemple lors de son souda- ge.