Brevet FR2806940A1 — publié le 20011005

FEUILLARD EN ACIER INOXYDABLE FERRITIQUE CONTENANT L' ALUMINIUM, UTILISABLE NOTAMMENT POUR UN SUPPORT DE CATALYSEUR 'ECHAPPEMENT DE VEHICULE AUTOMOBILE ET PROCEDE DE FABRICATION DUDIT FEUILLARD L'invention concerne un feuillard en acier inoxydable ferritique contenant de l'aluminium utilisable notamment pour un support catalyseur d'échappement de moteur de véhicule automobile et son procédé fabrication. Dans la fabrication des pots catalytiques situés dans une ligne d'échappement de véhicule automobile, on utilise pour réaliser le support mécanique des composés catalyseurs, deux types de matériaux : céramiques ou des métaux. Le choix des métaux se porte sur des alliages base contenant dans leur composition du chrome et de l'aluminium. L'alliage doit former de l'alumine lors d'une oxydation dans domaine de température compris entre 700 C et 1200 C. De plus, le feuillard doit contenir suffisamment d'aluminium pour former de l'alumine pendant toute la durée d'utilisation à chaud du support de catalyseur. II est connu un alliage du type Fe-20%Cr-5%AI élaboré directement par coulée en aciérie. La transformation des tôles réalisées avec cet alliage présente des difficultés dans le domaine du laminage à froid, en particulier, en raison de son comportement fragile. II est également connu un procédé de colaminage d'aluminium avec une tôle d'acier inoxydable dans lequel on plaque à froid une bande d'acier inoxydable entre deux feuilles d'aluminium, on lamine le feuilleté obtenu, puis on recuit le feuilleté de façon à provoquer une diffusion de l'aluminium dans la bande d'acier. Pour résister correctement à l'oxydation, les aciers inoxydables doivent contenir un minimum de 10,5% de chrome. II est couramment enseigné que l'augmentation de la teneur en chrome accroît également la tenue à la corrosion ainsi que la résistance à l'oxydation à haute température, vers 950 C. Une voie reconnue d'amélioration de la tenue des aciers inoxydables à l'oxydation pour des températures supérieures à 1100 C est d'ajouter de l'aluminium afin de favoriser la formation d'une couche protectrice durable rl'ali iminp Pour des teneurs en aluminium inférieures à environ 3%, l'élaboration aciers inoxydables peut se faire par un procédé classique de production comme par exemple la coulée continue suivie d'un laminage à chaud et à froid. Pour teneurs en aluminium plus élevées, d'autres procédés sont utilisés comme colaminage de feuille d'aluminium ou le trempage d'une tôle dans un bain fondu d'aluminium. Le but de l'invention est de présenter un feuillard en acier inoxydable ferritique contenant de l'aluminium et son procédé de fabrication, feuillard comportant un état de surface favorable à son utilisation, notamment dans domaine de l'échappement de véhicule automobile pour un support de catalyseur. L'invention a pour objet un feuillard en acier inoxydable ferritique contenant de l'aluminium utilisable notamment pour un support de catalyseur d'échappement de moteur de véhicule automobile caractérisé en ce comprend dans sa composition pondérale suivante 0,5%:g chrome autres caractéristiques de l'invention sont - l'acier comprend moins de 18,5% de chrome, - les teneurs en chrome et en aluminium satisfont la relation %Cr/%AI Les autres caractéristiques de l'invention sont - on recuit le feuilleté de manière statique ou au défilé sous atmosphere contenant de l'hydrogène et ayant un point de rosée inférieur à - 30 C, - on soumet le feuilleté à un laminage à froid en deux étapes pouvant comporter un recuit intermédiaire, la seconde étape étant effectuée avec un taux laminage supérieur .ou égal de 20% à l'épaisseur finale envisagée pour feuillard, - l'épaisseur du feuilleté est comprise entre 0,15 mm et 0,4 mm, - la composition de la bande formant l'âme du feuilleté comporte des teneurs en carbone azote qui satisfont, de préférence, la relation : (C + N) La figure 1 présente, différents rapports %Cr/%AI et zones de teneurs en chrome et en aluminium préférentielles de l'invention. La figure 2 présente la variation de la dureté de trois feuillards selon l'invention en fonction de la teneur en chrome de leur composition. La figure 3 présente, pour trois feuillards selon l'invention l'influence du taux de chrome sur la tenue à l'oxydation à 1100 C pour durées supérieures à 400 heures, la tenue à l'oxydation étant matérialisée par le gain de masse des échantillons testés. La figure 4 présente une série de courbes, caractéristiques de résistance à l'oxydation à l'air à 1050 C pour différents feuillards montrant l'influence du rapport %Cr/%AI sur la résistance à la corrosion. La figure 5 présente la dureté de deux aciers contenant respectivement 15% de chrome et 1$% de chrome et présentant un même rapport Cr/AI. Le procédé selon l'invention traite de la fabrication d'un feuillard en acier inoxydable ferritique contenant de l'aluminium utilisable notamment pour un support de catalyseur d'échappement de véhicule automobile dans lequel une bande d'acier inoxydable laminée d'une épaisseur inférieure ou égale à 1,5 mm de composition suivante 10,5% :9 chromes 20% aluminium Sous une forme de l'invention, le feuilleté, dont l'épaisseur est comprise entre 0,15 mm et 0,4 mm, est laminé à froid, par exemple, en deux étapes, la seconde étape étant effectuée avec un taux de laminage supérieur ou égal de 20% à l'épaisseur finale envisagée pour le feuillard. Après le laminage, l'épaisseur du feuillard obtenu est comprise entre 30 et 50 ,um. Un recuit de diffusion peut éventuellement être effectué entre les deux étapes du laminage à froid. Selon l'invention, au moins une feuille d'aluminium contient dans sa composition pondérale des éléments de terres rares dans une proportion comprise entre 0,001 % et 0,5%. Après laminage à froid, on recuit le feuilleté de façon à provoquer une diffusion de l'aluminium et des éléments contenus dans l'aluminium, sous une atmosphère d'hydrogène pratiquement pur et ayant un point de rosée inférieur à - 30 C de manière statique ou au défilé. Le feuilleté peut également être recuit sous vide. La bande de tôle d'acier ferritique formant l'âme du feuilleté comprend une teneur en chrome inférieur à 20% et de préférence comprise entre 10 et 18,5%. Sous cette forme, la transformation de la bande de tôle est grandement améliorée, comparativement à la transformation d'une tôle d'acier contenant environ 20% de chrome ou plus. De manière courante, la transformation d'une bande de tôle ne contenant aucun stabilisant du type titane, zirconium ou niobium une teneur en chrome supérieure à environ 1 est rendue difficile par la fragilité due aux carbonitrures de chrome qui se forment dans l'acier de la bande. Pour améliorer transformation de la bande tôle utilisée pour la fabrication du feuillard selon l'invention, il peut être introduit en outre, dans la composition de ladite tole, des éléments stabilisants, titane, zirconium, niobium pris seuls ou en combinaison, avec une teneur globale inférieure ou égale à 0,6%. La teneur en aluminium du feuillard, comprise entre et 8% est obtenue de manière aisée, colaminage, en introduisant éléments du type mischmétal dans feuilles d'aluminium plutôt que dans 1e_ bain d'acier d'élaboration de la tole. De plus, des eléments d'alliage, comme par exemple le molybdène, forme avec l'oxygène un oxyde du type Mo03 volatil à des temperatures de l'ordre de 1000 C, ce qui nuit à la cohésion de la couche d'oxyde en surface du feuillard. Dans le domaine températures inférieures à 1000 C, le molybdène peut être introduit dans teneurs inférieures à 5%. L'aluminium contenu dans l'acier de la bande de tôle piège l'azote pendant l'opération de recuit de diffusion. En effet, dans le cas d'une tôle d'acier ne contenant pas d'aluminium dans sa composition, il a été remarqué que l'azote dudit acier diffuse vers l'interface du feuilleté et se combine avec l'aluminium des feuilles destinees à la diffusion de l'aluminium dans l'acier. Il se forme alors en interface, une couche de nitrure d'aluminium qui est une source de fragilité. La bande d'acier formant l'âme du feuilleté contient de préférence, de l'aluminium dans sa composition pondérale. Ladite bande peut en contenir peu comme, par exemple, moins de 0,5% associé à de l'azote, la teneur en azote étant inférieure à 0,04%. L'atmosphère d'hydrogène, avec un point de rosée inférieur à 30 C, favorise l'obtention d'un métal non oxydé et rend possible le laminage du feuillard. Lors du recuit diffusion, la rugosité Ra du feuillard est portée à une valeur de l'ordre du micromètre. Le feuillard peut subir un laminage de finition assurant une rugosité Ra finale inférieure à 0 ,um et de préférence inférieure ou égale à 0,1,vm, le laminage de finition étant suivi, de préférence, d'un recuit final continu. L'état de surface lisse, favorable aux propriétés d'usage des supports de catalyseur dans les échappements de véhicules automobiles, est obtenu par laminage à froid du feuillard après recuit de diffusion, le taux de réduction du laminage à froid étant supérieur à 20% en utilisant pour les deux dernières passes de laminage rouleaux de laminoir polis. Le recuit final réalisé entre 700 C et 1200 C et de préférence entre 800 C et 1000 C, est un recuit continu suivi d'un refroidissement rapide avec une vitesse de refroidissement supérieure à 25 C par seconde. Ce recuit permet d'éliminer la fragilité du métal créée lors du recuit de diffusion. L'état du feuillard obtenu, lissé durant les dernières passes de laminage de finition et comportant rugosité adaptée, de préférence inférieure à 0,1/im, permet d'obtenir une tenue en allongement, en service. Dans un exemple réalisation de l'invention, la bande de tôle, en acier contenant dans sa composition pondérale carbone = 0,03 % , chrome = 16 aluminium = 0,4 azote = 0,02 manganèse = 0,4 silicium = 0,5 soufre = 0,0005 titane + zirconium + niobium = 0,3 % et satisfaisant la relation %Ti + %Nb + %Cr Le feuillard selon l'invention présente une caractéristique d'allongement sous contrainte thermique en service en fonction du temps d'utilisation à chaud améliorée en comparaison avec une caractéristique d'allongement feuillard de référence du type 20% Cr-5%AI d'un acier élaboré directement aciérie. Comme représenté sur la figure 1, la teneur en chrome comprise entre 10,5% et 16% avec de préférence une teneur inférieure à 15% définit une zone 1 donnant de manière inattendue, des caractéristiques de résistance à la corrosion améliorées. La zone 1 peut être étendue jusqu'à 18,5% selon l'invention. L'intervalle des teneurs en chrome, associé à un rapport chrome sur aluminium inférieur à 5 assure une résistance à l'oxydation de la tôle colaminée à des températures inférieures à 1100 C en utilisation, sur des supports de catalyseurs. La figure 2 présente la variation de la dureté des feuillards selon l'invention en fonction de la teneur en chrome de leur composition. On peut constater l'intérêt de l'usage de feuillards contenant dans leur composition une teneur en chrome réduite. Dans un test d'oxydation pour des feuillards contenant moins de 20% de chrome comme présenté sur la figure 3, il a été remarqué, pour une durée d'environ 400 heures à 1100 C, que la tenue en oxydation est identique pour différentes teneurs en chrome, la teneur en aluminium étant constante et égale à 5%. Contrairement à l'idée selon laquelle il est nécessaire d'augmenter la teneur en chrome au-dessus de 20% pour améliorer la tenue à la corrosion des feuillards, on remarque que pour un rapport %Cr/%AI inférieur à 5, la résistance à l'oxydation est assurée pour des teneurs en chrome inférieures à 20%. Un taux de chrome plus faible dans la composition de l'acier est avantageux du point de vue de l'élaboration de l'acier, des propriétés mécaniques, et du point de vue économique. Dans un autre test d'oxydation, sur une durée supérieure à 400 heures, et comme présenté sur la figure 3, le feuillard contenant 10,5% de chrome et 5% d'aluminium est, de manière étonnante, plus résistant à l'oxydation à 1100 C que le feuillard contenant 20% de chrome et 5% d'aluminium. En résumé, pour obtenir une bonne tenue à l'oxydation à 11 00 C pour une durée de plus de 400 heures les relations suivantes doivent être, de préférence, respectées: 450 heures : Cr/AI Pour obtenir un feuillard ayant une bonne tenue à l'oxydation pour une température de fonctionnement inférieure à 1050 C pendant 400 heures, selon l'invention, il n'est pas nécessaire d'avoir une teneur en aluminium élevée, mais il est important de respecter la relation %Cr/%AI La figure 4 résume l'influence du rapport %Cr/%AI dans le domaine de l'oxydation où le gain de masse dû à l'oxydation à l'air en fonction du temps pour une température de 1050 C, décroît avec le rapport %Cr/%AI. II a été testé les feuillards 1 à 6 selon l'invention et les feuillards 8 à 10 de comparaison dont les compositions sont présentées sur le tableau 1 suivant Tableau 1 Feuil. Cr/AI Cr si Mn AI Ti p Nb C N S ppm Terres rares 1 4,4 15,0 0,27 0,29 3,4 - 0,013 0,16 0,01 0,006 5 0,033 2 2,6 15,0 0,26 0,29 5,8 - 0,013 0,14 0,013 0,007 3 0,043 3 2,8 15,03 0,50 0,27 5,3 - 0,012 0,29 0,017 0,006 1 0,037 4 1,9 10,5 0 ,50 0,27 5,5 - 0,012 0,28 0,014 0,005 1 0,266 5 4,1 20,0 0,50 0,26 4,9 - 0,013 0,25 0,013 0,005 1 0,468 6 4,26 18,3 0,28 0,27 4,4 - 0,012 0,153 0,010 0,006 4 0,032 8 9 18,0 0,30 0,26 2,0 - 0,012 0,157 0,013 0,007 5 0,032 9 5,3 18,1 0,30 0,27 3,4 - 0,12 0,157 0,013 0,006 5 0,032 10 5,1 15,3 0,30 0,34 3,0 0,06 0,014 - 0,011 0,008 6 0,034 Le tableau 2 présente le résultat de test à l'oxydation sous air pour aciers présentés sur le tableau 1, le X signifiant une bonne tenue à l'oxydation, 0 signifiant une mauvaise tenue à l'oxydation. Tableau 2 feuillards 1050 C, 400h 11000C,400h 1100 0 C,450h 1 X 0 0 2 X X X 3 X X X 4 X X X 5 X X 0 6 X X 0 8 0 0 0 9 0 0 0 10 0 O 0 En comparant les feuillards 1 à 6 selon l'invention et les feuillards 8 à de comparaison, nous constatons que le feuillard 1 avec une teneur en chrome de 15% présente une meilleure résistance à l'oxydation à 1050 C que le feuillard 8 avec une teneur en chrome de 18%. On remarque que dans la composition feuillard le rapport %Cr/%AI feuillards 1 et 6 selon l'invention présentent un même rapport %Cr/%AI d'environ 4,3 et aussi un même comportement à l'oxydation à 1 comme matérialisé sur la figure 4. Cependant, comme présenté sur la figure dureté ces aciers est très différente, le dureté du feuillard contenant 1 chrome etant plus faible que la dureté du feuillard contenant 18% de chrome. Le feuillard selon l'invention peut être utilisé, d'une part, pour les supports de catalyseur mais également en tant que résistance électrique comme, exemple, de préchauffage de catalyseur. REVENDICATIONS 1. Feuillard en acier inoxydable ferritique contenant de l'aluminium utilisable notamment pour un support de catalyseur d'échappement de moteur de véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend dans sa composition pondérale suivante 10, 0%:g silicium 0% 11. Procède selon la revendication 1, caractérisé en ce la composition de la bande d'acier formant l'âme du feuilleté comprend de manière optionnelle, moins de 1,5% cuivre, moins de 1 % de nickel, moins de de molybdène.