Brevet FR2727982A1 — publié le 19960614

ACIER INOXYDABLE AUSTENITIQUE POUR EMPLOI A CHAUD L'invention est relative à un acier inoxydable austénitique pour emploi à chaud. De nombreux équipements tels que par exemple les moteurs d'avion, les moteurs d'automobile, les turbines à vapeur ou les générateurs de vapeur comportent des pièces devant résister à des températures élevées. Ces pièces sont par exemple mais non de façon exclusive, des boulons ou des pièces de liaison. Elles doivent pouvoir travailler à des températures pouvant atteindre 750"C. Pour fabriquer ces pièces on utilise soit des alliages du type 286 soit des aciers inoxydables martensitiques. L'alliage 286 est un superalliage austénitique contenant environ 26% de Nickel, 15% de Chrome, 1,25% de Molybdène et 2% de Titane. Le Titane est destiné à former des précipités durcissants de phase y'. Ces alliages sont utilisables jusqu' à 700"C mais pas au delà car, au dessus de cette température, la phase y' est instable et tend à se transformer en phase rl qui est moins durcissante. De plus la teneur en Nickel étant élevée, ces alliages sont chers. Les aciers inoxydables martensitiques contiennent environ 12% de Chrome et peu ou pas de Nickel si bien que leur prix est sensiblement plus faible que celui des alliages du type 286, mais par contre, ils ne peuvent êtres utilisés que jusqu'à 600oC, ce qui est insuffisant pour certaines applications. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un acier inoxydable pour emploi à chaud qui soit plus économique que les alliages du type 286 et qui ait des caractéristiques mécaniques à chaud comparables à celles de ces alliages. A cet effet l'invention a pour objet un acier inoxydable austénitique pour emploi à chaud dont la composition chimique, en poids, comprend: 16% 16% 0% 0% 1 % 0% C+N 0 % le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration; la composition chimique satisfaisant en outre aux relations: ((),94xNi -65xF)/ ( - F ) > 12 et 17 F = 0,0444 x Ti + 0,0777 x Al - 0,0592 De préférence la composition chimique ,en poids , est telle que 0,45 % et ( 1,2 x Ti - 0,6)1(2,1 xAl - 0,9) > 2 Il est également préférable que la teneur en Bore soit comprise entre 0,005 % et 0,015 %. L'invention concerne aussi l'utilisation d'un acier selon l'invention pour la fabrication de boulons pour emploi à chaud destinés notamment à êtres montés sur des moteurs d'automobile. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative. L'acier selon l'invention est un acier inoxydable constitué d'une matrice austénitique y stable, durcie par des précipités de phase y' Ni3Ti, ou mieux, Ni3(Ti,Al) de structure cubique, contenant suffisamment d'Aluminium pour empêcher la transformation de la phase y' en phase P de même composition, mais de structure hexagonale, et ne contenant pas trop d' Aluminium pour ne pas former la phase Ni2AlTi. Afin de pouvoir former suffisamment de précipités durcissants, L'acier doit contenir plus de 1% de Titane, mais la teneur en cet élément doit rester inférieure à 3% car au delà il détériore l'aptitude à la déformation plastique à chaud ce qui rend les opérations de mise en forme par laminage ou par forgeage difficiles. De plus, lorsque la teneur en Titane est trop élevée, l'acier doit être refondu sous vide pour limiter les ségrégations et cette opération est très coûteuse La teneur en Aluminium ne doit pas dépasser 1,2% d'une part pour limiter les ségrégations et les difficultés de mise en forme par déformation plastique à chaud, et d'autre part pour éviter la formation de phase Ni2AlTi. De préférence, pour assurer la stabilité de la phase y', la teneur en Aluminium doit être comprise entre 0,45% et 1,2%. Pour que l'effet durcissant des précipités soit optimal, il est préférable que les teneurs en Titane et Aluminium soient telles que: ( 1,2 x Ti - 0,6)/(2, 1 x Al - 0,9) > 2 La teneur en Nickel doit être comprise entre 16A et 23% et la teneur en Chrome doit être comprise entre 16% et 18% pour que, après formation des précipités, la matrice reste austénitique. et pour éviter la formation de ferrite qui diminue la résistance à chaud. ou de phase C ou de phase x. qui fragilisent l'acier. De plus, au delà de 23%, le Nickel, qui est un élément très coûteux, n'a pas d'effet significatif sur les propriétés de l'acier selon l'invention compte tenu des limites supérieures des teneurs en Titane et en Aluminium. Pour que, après formation des précipités, la matrice austénitique, ait une composition optimale, il est préférable que: (0,94 x Ni - 65 x F) 1 - F) > 12 et que: 17 Dans ces deux formules, Ni est la teneur en Nickel de l'acier, Cr est la teneur en Chrome, et F est calculé par la formule: F = 0,0444 x Ti + 0,0777 x Al - 0,0592 dans laquelle, Ti est la teneur en Titane de l'acier et Al est la teneur en Aluminium. L'acier peut également contenir: - entre 0% et 3% de Molybdène pour durcir la matrice austénitique par solution solide, cependant sa teneur ne doit pas être trop élevée car cet élément ségrège fortement et favorise la formation de phase a, - entre 0% et 2% de Manganèse, car cet élément est gammagène et peut remplacer une partie du Nickel, cependant en trop grande quantité, il détériore la tenue à l'oxydation à chaud de l'acier, - moins de 0,1% de Carbone plus Azote et de préférence moins de 0,05 % pour éviter de former trop de carbures de Titane ou de nitrures de Titane ou d'Aluminium, - entre 0% et 0,02% de Bore , et de préférence entre 0,005% et 0,015% pour renforcer les joints de grain et améliorer la ductilité à chaud. Lorsque l'acier est élaboré par refusion de chutes d'alliages ou d'acier, il peut contenir en outre des éléments résiduels tels que le Silicium, le Cuivre, le Cobalt, ou le Vanadium, en des teneurs inférieures à 0,5% pour chacun de ces éléments. Le reste de la composition chimique est constitué de Fer et d'impuretés résultant de l'élaboration. Cet acier peut être fabriqué sous toute forme voulue: tôle, barre, profilé, fil, pièce forgée. Pour lui conférer ses propriétés d'emploi, on peut lui faire subir un traitement thermique constitué par exemple d'une mise en solution par chauffage entre 850"C et 1050"C pendant environ une heure, suivi d'un refroidissement rapide pour éviter une précipitation non contrôlée, par exemple par trempe à l'eau, puis d'un revenu par un maintien de 10 à 24 heures à une température comprise entre 680"C et 760"C suivi d'une trempe à l'air.On obtient ainsi une limite d'élasticité à la température ambiante comprise entre 500NIPa et 70()!vIPa, une résistance à la traction comprise entre 850MPa et 1000 MPa, et pour un essai de fluage standard à 650"C sous une contrainte de 480MPa, le temps de rupture est compris entre 50 et 200 heures, et l'allongement à rupture est supérieur à 20%, ce qui est aussi bon que les résultats obtenus avec un alliage du type 286 pour applications aéronautiques dont la composition comprend environ 26% de Nickel, 15% de Chrome, 1,25% de Molybdène, 2% de Titane, 0,3% de Vanadium, moins de 0,35% d'Aluminium, 1,5% de Manganèse, 0,7% de Silicium, et moins de 0,08% de Carbone (à noter que cet alliage contenant 26% de Nickel est beaucoup plus coûteux que l'acier selon l'invention ). A titre d'exemple on à fabriqué un acier dont la composition chimique, en poids, était: Ni = 16,87 % Cr = 16,99 % Mn = 1,01 % Si = 0,011 % Mo = 1,27 % Ti = 2,34 % Al = 0,131 % C = 0,032 % B = 0,0063 % Avec cet acier on a fabriqué des fils puis des boulons et on leur a fait subir deux traitements thermiques distincts qui ont permis d'obtenir les caractéristiques mécaniques suivantes: - premier traitement thermique: mise en solution 1 heure à 980"C -trempe à l'eau; recuit 16 heures à 720 C-trempe à l'air - caractéristiques mécaniques obtenues Température Re (MPa ) Rm (MPa) 20"C 670 990 600"C 626 815 750"C 512 540 -Fluage à 650"C sous 480MPa: temps de rupture 91,5H, allongement à rupture : 22,7% - deuxième traitement thermique mise en solution 1 heure à 900 C - trempe à l'eau ; recuit 16 heures à 720 C - trempe à l'air -caractéristiques obtenues à la température ambiante: Re= 550N1Pa Rm= 860ma - Fluage à 650"C sous 480MPa : temps de rupture: 197,0H allongement à rupture : 25,8 % Les propriétés de l'acier selon l'invention le rendent particulièrement apte à la fabrication de pièces de liaison et notamment de boulons pour emploi à chaud, en particulier pour assembler des pièces de moteur thermique, et par exemple, pour fixer un turbo compresseur sur le collecteur d'échappement d'un moteur d'automobile. L'acier selon l'invention est également très bien adapté à la fabrication de composants pour chaudières ou pour turbines à vapeur de centrales thermiques, tels que des tubages, des échangeurs ou des rotors. REVENDICATIONS 1 - Acier inoxydable austénitique pour emploi à chaud caractérisé en ce que sa composition chimique, en poids, comprend: 16% 16% 0 % 0% 1 % 0% C+N 0 % le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration; la composition chimique satisfaisant en outre aux relations: (0,94xNi - 65xF) 1(1 - F) > 12 et 17 avec F = 0,0444 x Ti + 0,0777 x Al - 0,0592 2 - Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa composition chimique, en poids, est telle que 0,45 % et ( 1,2 x Ti - 0,6)1(2,1 xAl - 0,9) > 2 3 - Acier selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que sa teneur en Bore est comprise entre 0,005 % et 0,015 %. 4 - Utilisation d'un acier selon l'une quelconque des revendication 1 à 3 pour la fabrication de boulons pour emploi à chaud. 5 - Utilisation de boulons selon la revendication 4 dans un moteur d'automobile. 6 - Utilisation d'un acier selon l'une quelconque des revendication 1 à 3 pour la fabrication de composants pour chaudières ou pour turbines à vapeur de centrales thermiques, tels que des tubages, des échangeurs ou des rotors.