Brevet FR2691982A1 — publié le 19931210

L'invention concerne une composition d'acier inoxydable pour pièces utilisées en ultravide et à basse température, ayant en particulier des propriétés mécaniques, une étanchéité et un amagnétisme accrus. La réalisation d'installations d'analyse des particules élémentaires notamment nécessite l'utilisation d'aciers inoxydables devant présenter les propriétés suivantes: étanchéité au travers des pièces du fait de la différence de pression qui existe entre l'enceinte sous vide (à plus de 10-1 torr, 1,33 10-é Pa> et la pression atmosphérique régnant à l'extérieur, étanchéité des joints de type couteau lors des assemblages sans soudure en présence de la même différence de pression, propriétés mécaniques tant en résistance à la traction qu'en ténacité jusqu'à des températures très basses allant jusau'à 1,8 K amagnétisme jusqu'à 1,8 K afin de ne pas perturber le trajet des particules. En outre, il faut que l'acier inoxydable puisse supporter, sans altération des propriétés précédentes, le traitement de dégazage à 950 'C que certains utilisateurs doivent lui faire subir dans quelques applications. Jusqu'à présent la solution la plus courante consistait à utiliser la nuance E-Z 2 CND 17 13 + Az ayant la composition nominale suivante en poids Carbone 0,03 Chrome 17,00 Nickel 14,00 Molybdène 2,80 Azote 0,15 Fer Complément et possédant des propriétés types qui seront données ci- après. Or il a maintenant été trouvé que l'on obtient des propriétés encore améliorées en utilisant une composition d'acier inoxydable à haute teneur en azote et contenant du niobium et du manganèse. Selon l'invention, on utilise un acier inoxydable ayant une composition comprise dans les limites suivantes % en poids Carbone jusqu'à 0,08 Chrome 19 22 Nickel 8 11 Manganèse 2,50 4,25 Molybdène 2,00 3,00 Silicium jusqu'à 0,75 Phosphore jusqu'à 0,025 Soufre jusqu'à 0,01 Niobium 0,25 0,80 Azote 0,35 0,50. Fer Complément La teneur en azote confère & l'acier deux propriétés essentielles: une phase austénitique stable & basse température, ce qui permet de conserver l'amagnétisme en condition cryogénique. des caractéristiques mécaniques élevées dans un large domaine de température y compris dans le domaine cryogénique. L'addition de manganèse est nécessaire pour assurer la solubilité d'une telle teneur en azote. L'addition de nobium sert à stabiliser le carbone et par suite renforce la tenue à la corrosion Cette addition améliore la tenue à chaud de la nuance et renforce, indirectement, par affinage du grain la limite élastique à basse température. Les aciers selon la présente invention sont obtenus de manière classique par élaboration au four à arc et subissent ensuite un affinage par le procédé AOD (encore appelé "affinage en réacteur AOD") ("argon oxygen decarburization", décarburation à l'argon-oxygène) qui permet d'obtenir sans difficultés la faible teneur en carbone recherchée. Afin de diminuer la teneur en inclusions, on peut soumettre l'acier obtenu à une refusion sous laitier, en particulier lorsqu'on désire réaliser avec la composition des parois minces et des Joints de type couteau En effet la faible teneur inclusionnaire garantit une étanchéité supérieure Ce traitement n'est toutefois pas obligatoire. Les pièces préparées à partir d'une composition selon la présente invention subissent un traitement thermique à une température de 10001100 'C avec refroidissement sous air, huile ou eau selon la dimension des pièces, pour donner un état hypertrempé. On peut également pratiquer après 1 'hypertrempe un écrouissage à la température ambiante par laminage, étirage ou tréfilage. Le tableau 1 ci-dessous regroupe un certain nombre de mesures de résistance mécanique effectuées par trois laboratoires sur des barres d'acier selon la présente invention. La composition spécifique de l'acier utilisé pour la réalisation des barres d'essai est la suivante Barre O 31,75 0 12 O 12 0 45 hypertrempé hypertrempé écroui hypertrempé Carbone 0,033 O 035 0,02 ? 0,035 Chrome 20,89 20,69 20,10 20,69 Nickel 9,22 9,73 9,09 9,73 Manganèse 4,14 3,92 4,00 3,92 Molybdène 2,10 2,14 2, 10 2,14 Silicium 0,36 0,42 0,37 0,42 Phosphore 0,022 0,021 0,021 0,021 Soufre telles que de l'aluminium, du cuivre et du cobalt. TABLEAU 1 barre I. Etat Thermique j hypertrempé _ No du Labora- toire Température 300 K 1 71 K (*) | 2 &K 1 1,8 K K Rm M Pa Rp 0,2 % M Pa 41,6 E G Pa l Rm M Pa I Rp 0,2 % M Pa 1663 1114 E G Pa Rm M Pa Rp 0,2 % M Pa E G Pa F. Rm M Pa I Rp 0,2 %. M Pa 31,75 hypertrempé 3 942 605 45 210,3 1768 1325 42 187,2 2048 1700 26 204,3 187,2 1828 1345 32 2057 1700 22 217,6 12 hypertrempé 2 1007 587 39,6 1954 1374 19,4 2426 2300 1,5 2 1007 595 39,6 1984 1404 18,3 _ _ 1 1125 887 21 12 écroui 2 1060 990 24 1981 1804 18,4 2 1079 1008 '26,4 1981 1804 16,6 12,5 t écroui I 1088 863 26 189 | 1942 1597 l 20,5 | 198,7 13,3 ,5 I I (O 3 H valeur hypertrempé moyenne 650 320 50 1350 700 40 1480 790 28 R typique lm C\ Rm =nrésistance Rp = limite élastique Ao = allongement E = module d'élasticité (*) pour Labo 2 la température d'essai est non contrôlée et vraisemblablement proche de 95/100 K u C KJ (OD (. al (.0 r-i 0) U) -P. p-, - - - - L Les résultats obtenus montrent clairement qu'il est possible d'obtenir avec les aciers en question, tant à l'état hypertrempé qu'écroui, des caractéristiques mécaniques Rm et Rp 0,2 % élevées, tout en conservant une ductilité suffisante A cet égard, on notera que pour des applications à des températures inférieures ou égales à 20 K, il n'est pas conseillé de partir d'un acier préalablement écroui, car les résultats ci-dessus montrent que le gain sur la limite élastique et la charge de rupture est faible alors que la ductilité est sensiblement dégradée. Le taux d'écrouissage que l'on applique éventuellement est fonction des caractéristiques mécaniques que l'on souhaite obtenir et la figure unique montre l'évolution des caractéristiques mécaniques Rm et Rp 0,2 % en fonction du taux d'écrouissage. Le tableau 2 ci-dessous donne des résultats concernant la susceptibilité magnétique d'un acier inoxydable selon la présente invention. TABLEAU 2 H 0,005 oe 1000 oe Susceptibilité magnétique à 1,8 K 5 10-a 5 10-3 La matériau est donc classé comme amagnétique à la température de 1,8 K. On voit donc que les compositions d'acier inoxydable selon la présente invention donnent des pièces ayant des caractéristiques mécaniques et des propriétés amagnétiques qui les rendent particulièrement30 appropriées pour la réalisation d'installations en ultravide et/ou à très basse température; elles trouvent une application particulière dans les installations d'analyse des particules Elémentaires et la réalisation de moteurs cryogéniques. REVENDICATIONS 1. Composition d'acier inoxydable contenant de 19 à 22 % en poids de chrome, de 8 à 11 % en poids de nickel, de 2,50 à 4,25 % en poids de manganèse, de 2,00 à 3,00 % en poids de molybdène, de 0,25 à 0,80 % en poids de niobium, de 0,35 & 0,50 % en poids d'azote, Jusqu'à 0,08 % en poids de carbone, jusqu'à 0,75 % de silicium, Jusqu'à 0,025 % en poids de phosphore, jusqu'à 0,01 % en poids de soufre, le complément étant du fer et d'éventuelles impuretés, ayant subi un affinage en réacteur AOD et éventuellement une refusion sous laitier. 2. Pièces destinées à la réalisation de dispositifs fonctionnant en ultravide et à basse température, obtenues à partir de la composition d'acier inoxydable selon la revendication 1, avec un traitement thermique & 1000-1100 'C. 3. Pièces selon la revendication 2, ayant subi un écrouissage à la température ambiante.