Brevet FR2798394A1 — publié le 20010316

Acier ferritique à 14% de chrome stabilisé au niobium et son utilisation dans le domaine de l'automobile. L'invention concerne un acier ferritique dit à 14% de chrome stabilisé au niobium et son utilisation dans le domaine de l'automobile. Les aciers utilisés pour des pièces situées en amont d'une ligne d'échappement d'un véhicule automobile, partie chaude de la ligne, doivent présenter simultanément une bonne résistance à l'oxydation et une bonne tenue au fluage. Pour la fabrication du collecteur, une bonne caractéristique 1o de mise en forme est également nécessaire. Les aciers utilisés pour ces parties chaudes sont souvent, soit des aciers austénitiques relativement coûteux et de faible tenue à l'oxydation, mais présentant de bonnes caractéristiques de mise en forme, soit des aciers ferritiques bistabilisés. Les aciers ferritiques bistabilisés présentent une bonne tenue à l'oxydation mais sont relativement difficiles à mettre en forme. Le but de l'invention est de proposer un acier ferritique, économique, qui présente une très bonne tenue à chaud tant au fluage qu'à l'oxydation, jusqu'à 1000 C et une caractéristique en dureté améliorée pour sa mise en forme. L'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une bande de tôle en acier ferritique dit à 14% de chrome stabilisée au niobium, caractérisée en ce que l'acier de composition pondérale suivante: carbone température d'environ 850 C pendant un temps égal ou inférieur à 30mn. L'invention concerne également une tôle en acier ferritique dit à 14% de chrome stabilisé au niobium obtenue pour la mise en oeuvre du procédé qui se caractérise en la composition pondérale suivante: carbone - la teneur en Nb satisfait la relation 0.1 io 7(C+N) et de préférence 0.2 Si/Mn > 1. Les teneurs en niobium, titane, zirconium, aluminium satisfont la relation: N/(Ti+Zr+AI) > 0,16 - I'acier comporte, après traitement thermique, au niveau des joints des grains, un intermétallique de maille quadratique de type Fe2Nb3. L'invention concerne également une utilisation de la tôle d'acier ferritique dans le domaine automobile et notamment pour la réalisation de collecteur de ligne d'échappement. La description qui suit et les figures annexées fera bien comprendre I'invention: Les figures 1A et lB présentent respectivement une microstructure d'un acier selon l'invention, référencé 1 dans les tableaux I et 11, et une microstructure d'un acier de comparaison, référencé 6 dans les tableaux I et Il, après traitement thermique chacun des deux aciers comportant un même ANb de 0.25%. La figure 2 présente une microstructure d'un acier de comparaison référencé 9 dans les tableaux I et 11, avec un ANb relativement élevé d'environ 0.43% présentant après traitement thermique, des précipités intergranulaires de type Fe2Nb, répartis de manière désordonnée. La figure 3 présente les caractéristiques mécaniques en dureté pour un acier selon l'invention, référencé 1 dans les tableaux I et 11, et deux aciers de comparaison, référencé 6 et 9 dans les tableaux I et 11, avant et après traitement thermique de formation de précipités respectivement de type Fe2Nb3 ou Fe2Nb. Les aciers ferritiques contenant les éléments tels que titane, zirconium, aluminium, et manganèse comme il est précisé dans les compositions des aciers de référence 5-9 des tableaux I et Il, présentent à toutes températures comme phase intermétallique, la phase de Laves Fe2Nb. Pour une valeur de ANb comportement de ces aciers à la tenue en fluage à ou au-delà de 950 C. Les éléments comme le titane, le zirconium ou l'aluminium, bien que devant être évités dans la composition de l'acier selon l'invention peuvent néanmoins être présents dans la composition dans les teneurs telles que: titane 0.16% Dans les aciers concernant l'invention o les éléments molybdène, compris entre 0, 02% et 1%, silicium compris entre 0,05% et 1%, étain compris entre 0,005% et 0,04%, sont présents et o les relations ANb/(Si+Mo) 1, ANb/Sn 0.16% sont satisfaites, nous rencontrons la phase de Laves Fe2Nb seulement à basse température c'est à dire vers environ 650 C. Pour des températures plus élevées, c'est à dire égale ou au-dessus de 700 C, la phase quadratique du type Fe2Nb3 est la seule phase intermétallique observée. Cette phase présente une solubilité moins importante que la phase de Laves Fe2Nb. Pour un faible ANb de 0,23%, même à 950 C, une quantité importante de Fe2Nb3 reste présente comme on peut le voir sur la microstructure de la figure 1A. La présence de la phase Fe2Nb3 à haute température, en quantité importante a l'avantage de générer une très bonne tenue au fluage et mise en forme des aciers selon l'invention. La phase de Laves Fe2Nb est un composé intermétallique, qui, o10 lorsqu'il existe dans un acier, précipite de façon intragranulaire et aux joints de grains de manière anarchique et n'empêche pas de façon suffisante le déplacement des joints de grains, donc le matériau flue. Une quantité importante de ce précipité intermétallique est nécessaire pour améliorer la tenue au fluage. La précipitation de la phase Fe2Nb3 aux joints de grains assure une diminution de la dureté de l'acier par rapport à un acier o tous les précipités intermétalliques ont été mis en solution ou ont précipité de façon intragranulaire (figure 3). Si le rapport Si/Mn supérieur à 1 n'est pas respecté, c'est également l'intermétallique Fe2Nb3 qui apparaît. Cependant, le manganèse augmente la solubilité de l'intermétallique Fe2Nb3 et la formation, à haute température, d'une phase Z du type CrNbN dans les grains. A 950 C, I'intermétallique Fe2Nb3 est ainsi dissout. L'acier présente une mauvaise tenue en fluage et en oxydation. Le silicium compense cet effet. Pour assurer une bonne mise en forme et une bonne tenue en fluage, ce qui se manifeste par une quantité élevée des précipités intermétalliques aux joints de grains, un traitement thermique à une température de l'ordre de 900 C, de préférence de l'ordre de 850 C, pendant une période relativement courte, inférieure ou égale à 30 mn, après recuit final ou préalablement à l'utilisation a été effectué. Le traitement thermique permet une précipitation homogène très fine aux niveaux des joints de grains de la phase Fe2Nb3. Ces précipités servent comme centre de germination. Ils permettent une précipitation très homogène, aux joints de grains, de la phase Fe2Nb3 à toute température supérieure ou égale à 750 C ce qui est favorable pour une bonne tenue au fluage. Pour améliorer la tenue à la corrosion un ajout de cuivre dans une teneur modérée, inférieure ou égale à 1.5%, peut être effectué. Le tableau I présente les analyses chimiques des nuances étudiées. Les nuances 1 à 4 sont des nuances selon l'invention. Les nuances 5 à 9 sont des exemples de comparaisons. o Le tableau Il présente les résultats de fluage à 950 0C après 100h, de l'oxydation cyclique à 950 C et 1000 C après 200h, la dureté après recuit finale et après traitement thermique à 850 0C selon l'invention, ainsi que le ANb, le type d'intermétallique présent à T>700 C et la présence ou absence des intermétalliques à 950 0C. Ce tableau présente également les relations satisfaites ou non par les éléments des compositions présentées. Les compositions qui satisfont toutes les relations et qui présentent ainsi les meilleures caractéristiques en fluage, oxydation et dureté avant et après traitement thermique, avec le ANb le plus faible, sont les nuances 1-4 selon l'invention. TABLEAU I Acier N Cr Mo Si Mn AI Ti Nb Zr C N Sn ANb nuances Nb 1 14 0.02 0,5 0,2 - 0,4 - 0,012 0,015 0.01 0,23 Reven- diques NbMo 2 14 1 0,5 0,2 - - 0,4 - 0,012 0,015 0.01 0,23 NbSi 3 14 0.02 1 0,2 - - 0,4 - 0,012 0,015 0.01 0,23 NbSiMn 4 14 0_02 1 1 0,4 _ 0,012 0, 015 0I01 0,23 NbSiMn 4 14 0.02 0,5 1 0,4 0,012 0,015 0.01 0,23 NbMn 5 14 0.02 0,5 1 - - 0,4 - 0,012 0,015 0.001 0,23 Exem- NbTi 6 14 0.02 0,5 0,2 0,1 0,4 0,012 0,015 0.003 0,36 pies de Compa- NbAI 7 14 0.02 0,5 0,2 1 0,4 0,012 0,015 0.004 0,31 raisons NbZr 8 17 0.02 0,6 0,5 - - 0,4 0.45 0, 016 0,016 0.002 0,39 F17TNb 9 17 0.02 0,6 0,5- 0,14 0,5 0,016 0,016 0.002 0,043 TABLEAU II Acier No ANb Relation 1: Relation 2: Relation 3: Relation composé à Présence à Fluage Oxydation à Oxydation à Dureté Dureté (%/) N/(Ti+Zr+Al) >0.16 Si/Mn> 1 ANb/Sn 700 C 950 C 950 C 950 C 1000 C (HV1) (HV1) (mm) après TT 850 C Nb 1 0,23 * * * * Fe2Nb3 A 5 X X 143 130 NbMo 2 0,23 À Fe2Nb3 A 2 X X 147 141 NbSi 3 0,23 Fe2Nb3 A 2 X X 158 NbSiMn 4 0, 23 Fe2Nb3 À 4 X X 156 _ NbMn 5 0,23 O * O Fe2Nb3 O 20 O O 152 NbTi 6 0,36 O O O Fe2Nb O 20 O O 148 150 NbAI 7 0,31 O O Fe2Nb 41 X X 160 F17ZrNb 8 0.39 O * O O Fe2Nb 11il X X 161 F17TNb 9 0,43 O ÀO O Fe2Nb A 9 X X 159 163 O ne tient pas à l'oxydation X tient à l'oxydation O absente A présente * satisfait la relation O ne satisfait pas la relation (o (o REVENDICATIONS. 1. Procédé de réalisation d'une bande de tôle en acier ferritique dit à 14% de chrome stabilisé au niobium, caractérisé en ce que l'acier de composition pondérale suivante carbone 2798394 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'après le recuit final ou préalablement à l'utilisation, la tôle est soumise à un traitement thermique à une température comprise entre 800 C et 1000 C pendant un temps compris entre lmn et 100h et de préférence à une température d'environ 850 C pendant un temps égal ou inférieur à 30mn. 3. Tôle en acier ferritique dit à 14% de chrome stabilisé au niobium, obtenue pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications I ou 2, caractérisée par la io composition pondérale suivante: carbone 5. Tôle en acier ferritique selon l'une des revendications 3 et 4 caractérisée en ce que les teneurs en niobium, silicium et molybdène satisfont la relation ANb /(Si+Mo) 6. Tôle en acier selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisée en ce que les teneurs pondérales en niobium et étain satisfont la relation: ANb/Sn > 50 7. Tôle en acier selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisée en ce que les teneurs pondérales en silicium et manganèse satisfont la relation: Si/Mn > 1 8. Tôle en acier ferritique selon l'une des revendications 3 à 7 caractérisée en ce que les teneurs en niobium, titane, zirconium, aluminium satisfont la relation N/(Ti+Zr+AI) > 0.16 9. Tôle en acier ferritique selon l'une des revendications 3 à 8 caractérisée en ce que l'acier comporte, après traitement thermique, au niveau des joints de grains, un composé intermétallique de maille quadratique du type Fe2Nb3. 10. Utilisation de la tôle d'acier ferritique selon les revendications, 3 à 9 obtenue par le procédé selon les revendications 1 et 2, dans le domaine de l'automobile et notamment pour la réalisation de collecteur de ligne d'échappement.