Brevet FR2698104A1 — publié le 19940520

La présente invention est relative à un acier inoxydable ayant une bonne stabilité microstructurale après maintien à haute température. Les aciers inoxydables sont des alliages de fer contenant au moins 11 % de chrome ainsi que d'autres éléments tels que le carbone, le silicium, le manganèse, le nickel, le niobium, le molybdène, l'azote en des proportions variables. Selon leur composition chimique, ces aciers ont une structure différente : austénitique, ferritique, austénoferritique, martensitique, et des propriétés mécaniques différentes et, en fonction des applications, lthomme de métier ajuste la composition chimique pour obtenir la structure la plus souhaitable. Cet ajustement de la structure se fait en jouant notamment sur la teneur en nickel qui est un élément gammagène favorisant la formation d'une structure austénitique (ou structure y), et sur la teneur en chrome, élément alphagène, qui favorise la formation d'une structure ferritique (ou structure a). Plus généralement, l'homme de métier ajuste les teneurs en chacun des éléments qui peuvent se classer en éléments gammagènes et en éléments alphagènes et il calcule une teneur en nickel équivalent et une teneur en chrome équivalent.C'est à partir de ces teneurs que lthomme de métier détermine la structure de l'acier, mais il a tendance à utiliser comme élément alphagène principal le chrome notamment parce qu'il considère que les autres éléments alphagènes doivent être en petite quantité et parce que plus grande est la teneur en chrome, meilleure est la tenue à la corrosion de l'acier. Cependant, cette technique présente des inconvénients : le chrome est un élément cher et il n'est pas toujours utile d'avoir une très forte résistance à la corrosion ; le chrome rend instables, après maintien à haute température, les structures qui sont alors susceptibles de former une phase sigma fragilisante ce qui est gênant, soit lors d'un usage à haute température par exemple vers 700 C, soit lors du soudage. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un acier inoxydable économique et dont la structure est plus stable que celle des aciers connus, notamment lors d'un usage à haute température ou lors d'un soudage. A cet effet, l'invention a pour objet un acier inoxydable contenant plus de 12 % de chrome, moins de 0,1 % de carbone et plus de 1 % de vanadium. Cet acier peut être austénitique et notamment pour une utilisation à une température voisine de 700 C il peut avoir la composition chimique pondérale suivante 0,02 % # C # 0,1 % ; Si # 0,8 % ; 1 % # Mn # 10 % ; 4 % # Ni # 10 % ; 12 % # Cr # 14 % ; 1 % # V # 2 ; 0,05 % L'acier peut également être austéno-ferritique et notamment pour une utilisation pour réaliser des pièces hydrauliques, il peut avoir la composition chimique suivante : C L'acier peut enfin avoir une structure ferritique et notamment pour une utilisation dans des applications dans le domaine de l'énergie nucléaire obtenue par fusion dans lesquelles il est nécessaire d'avoir un matériau faiblement activable par les neutrons. Il peut alors contenir en sa composition chimique :C Si # 0,8 % ; 0,5 % # Mn # 2 % ; Ni # 0,3 % ; 12 % # Cr # 16 % ; Mo # 0,1 % ; 1 % # V # 3 % ; N # 0,08 ; avec Cr + 5V # 3 Ni + 90 C + 1,5 Mn + 75 N + 11,5. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en regard de l'unique figure annexée qui représente un diagramme de Harries donnant les domaines d'existence des différentes structures d'un acier inoxydable à l'état brut de solidification, austénite : A, Ferrite : F, Martensite : M, en fonction des teneurs en chrome équivalent et nickel équivalent. Les éléments chimiques soit d'addition soit résiduels d'un acier inoxydable peuvent se classer en deux catégories - les éléments gammagènes : Ni, C, Mn, Cu, N, Co qui permettent de calculer un nickel équivalent Nieq = Ni % + 30 C % + 0,5 Mn % + 0,3 Cu % + 25 N % + Co*. Plus Nieq est élevé plus la microstructure de l'acier a tendance à être austénitique c'est-à-dire cubique à faces centrées, - les éléments alphagènes : Cr, Mo, Si, Nb, V, Al, Ti, W qui permettent de calculer un chrome équivalent Creq = Cr % + 1,5 Mo % + 2 Si % + 1,75 % Nb % + 5 V % + 5,5 Al * + 1,5 Ti % + 0,75 W %. Plus Creq est élevé plus la microstructure de l'acier a tendance à être ferritique, c'est-à-dire cubique centrée. Pour déterminer la structure d'un acier particulier on calcule le Creq et le Nieq et on se reporte au diagramme de Harries (figure 1) (ou à un diagramme équivalent) et on place sur le diagramme le point représentatif de coordonnées Creq, Nieq. Si le point représentatif se trouve dans le domaine 1 la structure est ferritique, si le point représentatif se trouve dans le domaine 2, la structure est mixte austénoferritique, si le point représentatif se trouve dans le domaine 3, la structure est austénitique. La formule donnant Creq tient compte du vanadium avec un coefficient égal à 5, pour des teneurs en vanadium inférieures à 1 % ; le vanadium est le plus souvent un élément résiduel et n'est pas utilisé pour son effet alphagèné. Les inventeurs ont montré que, de façon inattendue, le vanadium avait un effet alphagène pour des teneurs allant jusqutà 3 %. On peut alors utiliser le vanadium comme élément alphagène en substitution au chrome. Pour déterminer la composition chimique d'un acier inoxydable selon l'invention on peut commencer par choisir de façon connue une composition chimique sans vanadium qui permette d'obtenir la structure souhaitée (ferritique, austéno-ferritique, austénitique) puis on substitue du vanadium à une partie du chrome de telle façon que - la teneur en vanadium après substitution soit supérieure à 1 %, - 1 % de vanadium remplace 5 % de chrome, - la teneur en chrome après substitution reste supérieure à 12 %. On obtient ainsi une nouvelle famille d'aciers inoxydables moins inoxydables que les aciers équivalents sans vanadium car la teneur en chrome est plus faible mais qui présente deux avantages - ils sont moins chers car 1 % de vanadium coûte moins cher que 5 % de chrome, - leur structure est plus stable à haute température car les fortes teneurs en chrome favorisent la précipitation de phases sigma fragilisante ; en substituant du vanadium au chrome dans un rapport de 1 à 5, on diminue cette tendance qui est gênante lors d'utilisation à haute température par exemple entre 700"C et 750"C ou lors d'opérations de soudage qui provoquent des échauffements localisés importants de l'acier. On va maintenant décrire trois exemples d'aciers appartenant à la famille objet de l'invention Exemple 1 : un acier pour utilisation à chaud entre 700 OC et 750 OC environ, pour lequel une bonne stabilité de la structure est nécessaire et pour lequel il est également nécessaire d'avoir une structure austénitique pour avoir de bonnes caractéristiques mécaniques à chaud ; pour avoir une structure à dominante austénitique, la plus économique possible. Compte tenu des éléments résiduels toujours présents dans l'acier, on doit avoir 18 Ceci conduit à choisir 4 % # Ni # 10 % 12 % # Cr # 14 % 1 % # V # 2 % et de préférence 1,5 % # V # 2 %. Pour les teneurs des autres éléments de la composition de l'acier on fixe les valeurs suivantes 0,02 % # C # 0,1 % et de préférence Si 1 5 S Mn 5 10 % élément économique, réduisant le risque de fissuration à chaud 0,05 % On a réalisé par exemple un acier ayant la composition suivante : C Si Mn Mn Cr Mo Cu 0,05 % 0,47 % 1,7 % 9,2 % 13,8 % 0,05 % 0,08 % V Al Nb Ti Co N 1,32 % 0,01 % 0,001 % 0,01 % 0,05 % 0,13 * dont les caractéristiques sont les suivantes Structure : austénite > 90 % dureté Vickers HV5 : 150. Exemple 2 : un acier pour applications dans le domaine de l'hydraulique telles que la fabrication de turbines hydrauliques. Pour ces applications, il est nécessaire d'avoir des aciers qui puissent être soudés sans traitement thermique ultérieur, qui aient de hautes caractéristiques mécaniques et qui soient très économiques. Pour celà on utilise un acier austéno-ferritique dont la structure comporte environ 45 % d'austénite et 55 % de ferrite. Pour avoir cette structure, cet acier doit avoir, compte tenu des éléments résiduels, 23 % # Cr + 5 V Ce qui conduit à la composition chimique suivante 2 % # Mn # 12 % 0,5 % # Ni # 6 % 12 % # Cr # 16 % 1 % # V # 3 % et de préférence 2 % # V # 3 %. dans laquelle on ajuste les teneurs des autres éléments de la manière suivante C # 0,1 * et de préférence # 0,08 t pour éviter la formation excessive de carbures aux joints de grains, Si le reste de la composition étant constitué de fer et des éléments résiduels associés à l'élaboration de 1 'acier. On notera que cet acier peut être substitué aux aciers martensitiques utilisés habituellement dans des applications où ces aciers sont soudés pour réaliser l'assemblage de pièces ou composants et qui nécessitent un traitement thermique après soudage, ce qui empêche de faire le soudage sur les sites d'utilisation de l'ensemble soudé constitué par les pièces ou composants soudés. A titre d'exemple on a réalisé un acier de composition : C Si Mn Ni Cr Mo 0,057 % 0,587 % 10,18 % 2,12 % 13,02 % 0,012 * Cu V Al Nb Co N2 0,025 % 2,37 * 0,035 % 0,019 % 0,008 % 0,06 * dont les caractéristiques sont les suivantes microstructure : austénite 50 % ferrite 50 % dureté Vickers HV5 : 215. Exemple 3 : un acier à basse activation pour applications nucléaires Dans les réacteurs nucléaires, les matériaux du réacteur sont soumis à un bombardement neutronique intense qui rend radioactifs les atomes constituant le métal. Il est souhaitable que cette radioactivité soit la plus faible possible et ait une période la plus courte possible. Celà conduit à éliminer les éléments tels que le nickel, le molybdène, le niobium, le cuivre et de préférence à limiter la teneur en carbone au strict minimum. Ces aciers doivent pouvoir travailler jusqu'à une température voisine de 400"C et de ce fait avoir une très bonne stabilité structurale. De plus, ils doivent être soudés. Pour satisfaire ces conditions, on utilise un acier de structure ferritique sans nickel. Compte tenu des teneurs habituelles en éléments résiduels, la composition chimique de l'acier doit satisfaire la relation suivante Cr + 5 V > 3 Ni + 90 C + 1,5 Mn + 75 N + 11.5 ce qui conduit à la composition chimique suivante 12 % # Cr # 16 % 1 % # V # 3% et de préférence 2 % # V # 3 % avec de plus C Si 0,5 % # Mn # 2 % Ni # 0,3 % N A titre d'exemple on a réalisé un acier de composition suivante C Si Mn Ni Cr Mo 0,072 % 0,142 % 1,18 % 0,30 % 12,96 * 0,021 % Cu V Al N 0,095 % 2,68 % 0,076 % 0,038 % dont les caractéristiques sont les suivantes La microstructure est ferritique. La dureté Vickers HV5 est de 155. Pour chacun de ces aciers, les compositions chimiques requises données plus haut et les conditions relatives à Cr + 5 V ou Ni + 30 C + 0,5 Mn + 25 N ou pour Ni + 30 C + 25 N doivent être respectées simultanément. Le reste de la composition est constitué de fer et des éléments résiduels tels que Nb, Ti, Co, Cu, W, Al associés à l'élaboration de l'acier. REVENDICATIONS 1. Acier inoxydable caractérisé en ce qu'il comporte en sa composition chimique au moins 12 % en poids de chrome, moins de 0,1 % au poids de carbone et au moins 1 % en poids de vanadium. 2.- Acier inoxydable selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa structure est austénitique. 3.- Acier inoxydable selon la revendication 2 utilisable notamment à température élevée voisine de 700 C caractérisé en ce qu'il comporte en sa composition chimique pondérale 0,02 % S C Si # 0.8 % 1 % # Mn s 10 % 4 % # Ni # 10 % 12 * # Cr # 14 % 1*5V 0,05 % # N # 0,2 % et en ce que 18 * S Cr + 5 V # 20 % Ni + 30 C + 25 N > 12 %. 4.- Acier inoxydable selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa structure est austéno-ferritique. 5.- Acier inoxydable selon la revendication 4, utilisable notamment pour les applications hydrauliques, caractérisé en ce qu'il comporte en sa composition chimi que pondérale, en % C # 0,1 % Si # 0,8 % 2 % # Mn # 12 % 0,5 5 12 % # Cr s 16 % Mo et en ce que 23 % 5 Cr + 5 V # 25 % 8 % # Ni + 30 C + 0,5 Mn + 25 N # 10 % 6.- Acier inoxydable selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa structure est ferritique. 7.- Acier inoxydable selon la revendication 6, utilisable notamment pour les applications dans le domaine de l'énergie nucléaire dans lesquelles il est nécessaire d'avoir un matériau faiblement activable par les neutrons caractérisé en ce qu'il comprend en sa composition chimique, en % en poids C # 0,1 % Si 0,5 % 5 Mn # 2 % Ni 12 % # Cr # 16 % 1 % # V # 3 % N Cr + 5 V # 3 Ni + 90 C + 1,5 Mn + 75 N + 11.5.