Brevet FR2886314A1 — publié le 20061201

La présente invention est relative à un acier pour la fabrication de coques de sous-marins constituées de pièces en acier laminé ou forgé assemblées par soudage. Afin de pouvoir plonger en eau profonde sans alourdir excessivement le bâtiment, les coques de sous-marins sont constituées en général de tôles en acier d'épaisseur comprise entre 40 et 50 mm, et éventuellement de pièces forgées d'épaisseur comprise entre 100 et 150 mm, constituées d'un acier à très haute élasticité, ayant une très bonne ténacité y compris à basse température de façon à assurer une bonne sécurité même en cas de sollicitation dynamique intense, et relativement bien soudable de façon à permettre de réaliser des assemblages de bonne qualité. Les aciers utilisés habituellement sont des aciers de la gamme dite de 60 ou 80 HLES, dont la composition chimique comprend environ 0, 10% de carbone, de 2 à 4% de nickel, de 0,2 à 0,4% de silicium, du molybdène et du vanadium en des teneurs telles que Mo + 3 V soit compris entre 0,3 et 0,5%, entre 0,8 et 1,2% de Mn, entre 0,1 et 0,5% de Cr, le reste étant du fer, des impuretés, et éventuellement des éléments désoxydants en faible quantité. Ces aciers sont utilisés pour fabriquer des pièces telles que des tôles ou des pièces forgées, qui sont trempées et revenues de façon à avoir une structure globalement martensitique revenue, c'est-à-dire contenant plus de 90% de martensite, et dont la limite d'élasticité est comprise entre 550 et 650 MPa, la résistance à la traction est comprise entre 600 et 750 MPa, l'allongement à rupture est compris entre 15 et 20%, la résilience Charpy Kc est supérieure à 80 J à -80 C. Les pièces réalisées en ces aciers sont assemblées par soudage avec un préchauffage à une température de l'ordre de 150 C au moins de façon à éviter des problèmes de fissuration à froid. Ces conditions de soudage sont nécessaires en particulier parce que les soudures réalisées sont des soudures très fortement bridées, pouvant engendrer des contraintes proches de 80% de la limite d'élasticité, et parce que les soudures sont réalisées sur des chantiers dans lesquels la température peut descendre au voisinage de 0 C. La nécessité de réaliser un préchauffage à une température élevée est un inconvénient qui rend difficile le soudage des pièces de coques de sousmarins. Aussi, il est souhaitable de pouvoir disposer d'un acier qui permette de réaliser des soudures dans des conditions moins sévères, c'est-à-dire sans préchauffage ou, au moins, en ne pratiquant qu'un dégourdissage des tôles ne dépassant pas 100 C ou mieux 50 C et ce, malgré des bridages très élevés des soudures et malgré des températures extérieures du chantier relativement basses. On a proposé notamment dans la demande de brevet W093/24269, d'améliorer les conditions de soudage des coques de sous-marins réalisées en acier du type 60 ou 80 HLES, en utilisant des électrodes de soudage différentes des électrodes définies par les normes de construction qui s'imposent dans ce domaine, ces électrodes de soudage conduisant à des structures bainitique bas-carbone (LOBS en anglais). Mais cette technique présente des inconvénients parce que la réduction du risque de fissuration ainsi obtenu au niveau du métal déposé ne résout pas pour autant le problème du risque de fissuration induit par l'opération de soudage dans le métal de base lui-même, au niveau de la Zone Affectée Thermiquement. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un acier à haute limite d'élasticité soudable pour la fabrication de coques de sous-marins par assemblage par soudage de pièces constituées de tôles épaisses ou de pièces forgées, qui ont une limite d'élasticité comprise entre 480 et 620 MPa, une ténacité mesurée par une ténacité Charpy V K supérieure à 50J à -60 C, préférentiellement supérieure à 50J à -85 C, et pour lesquels les risques de fissurations induites par une opération de soudage, dans le métal de base, au niveau de la Zone Affectée Thermiquement, sont réduits. A cet effet, l'invention a pour objet un acier pour la fabrication de coques de sous-marins, caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en % en poids: 0,030% C 0,15% V + Nb/2 + Ta/4 0,004% Nb 0,004% Cu 0,45% Al 0,1% Ti 0, 04% N 0,0300% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, le bore étant une impureté dont la teneur est inférieure à 0,0005%, et P + S 0,015%, la composition chimique satisfaisant la condition, 410 540 x C '25 + 245 [ Mo + W/2 + 3 (V + Nb/2 + Ta/4)] '30 0,11% 2,5% Ni 3,5% Cr 0,2% et mieux Cr s 0,09% 425 2,7% Mo 0,75% C 0,55% L'invention concerne également une pièce de coque de sousmarin, d'épaisseur comprise entre 15 mm et 150 mm, en acier forgé ou laminé, trempé et revenu, selon l'invention. L'invention concerne enfin une coque de sous-marin comprenant des pièces selon l'invention, assemblées par soudage. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative en regard de la figure unique qui représente l'évolution de la température minimale de non-fissuration au soudage en fonction de la teneur en élément carburigène fort, et illustrée par des exemples. Les inventeurs ont constaté de façon nouvelle et inattendue qu'on pouvait réaliser des pièces pour les coques de sous-marins ayant des caractéristiques conformes aux caractéristiques généralement requises pour réaliser des sous-marins, plus facilement soudable que les pièces pour sous- marins réalisées en acier connu. Pour cela, il fallait utiliser un acier dont la composition avait été modifiée par rapport à celle des aciers connus, d'une part en abaissant sensiblement les teneurs en carbone et d'autre part en augmentant les teneurs en éléments carburigènes forts, c'est-à-dire en éléments capables de précipiter sous forme de carbures fins et dispersés durcissants mais non fragilisants, cet acier devant avoir une structure essentiellement martensitique, c'est- à-dire comprenant plus de 90% de martensite, le reste étant constitué de moins de 5% d'austénite résiduelle et de moins de 5% de ferrite. Toutefois il a été constaté que la composante martensitique pouvait, sans détérioration excessive de la ténacité, être substituée pour tout ou partie par de la bainite de type inférieure, c'est à dire 2886314 5 de la bainite en lattes, d'aspect micrographique à cet égard semblable à la martensite. La composition chimique de l'acier ainsi modifié comprend en %, en poids: - plus de 0,03% de carbone et de préférence plus de 0,035%, mais moins de 0,080% et de préférence moins de 0,060% et mieux encore moins de 0,055%, afin de permettre d'une part la formation de carbures durcissants lors du revenu sans toutefois que cela détériore la ténacité du métal de base et surtout la ténacité dans la zone affectée par la chaleur lors du soudage; la teneur en carbone étant limitée notamment afin de réduire les déformations liées à la transformation martensitique dans la zone affectée par la température dans la zone de soudage, ce qui est nécessaire pour limiter les effets du bridage et donc réduire la sensibilité du métal à la fissuration lors du soudage. - de 0,04% à 0,48% de silicium afin de désoxyder le bain d'acier liquide. Cependant, et de préférence, la teneur en silicium sera réduite et restera inférieure à 0,29% et mieux encore' inférieure à 0,19% de façon à améliorer la conductivité thermique de l'acier, ce qui aura pour effet de réduire les gradients thermiques lors du soudage et ainsi réduire les contraintes mécaniques qui en résultent, ce qui réduit la sensibilité de l'acier à la fissuration lors de la réalisation de soudures bridées. - jusqu'à 1,4% de manganèse de façon à améliorer la trempabilité sans toutefois former des bandes ségrégées trop importantes. L'acier contenant par ailleurs d'autres éléments trempants, le manganèse n'est pas strictement indispensable et sa teneur peut être limitée à 1,2% et mieux encore à 1,0% ; il peut également être à l'état de traces. Cependant, notamment afin de faciliter l'élaboration de l'acier, la teneur en manganèse sera de préférence au moins égale à 0,2% voire 0,6%. - au moins 2,1% et mieux 2,5% et mieux encore 2,7% de nickel afin 30 d'améliorer la trempabilité, ce qui est nécessaire pour assurer l'obtention du type de microstructure souhaité à savoir une structure constituée essentiellement de martensite ou de bainite inférieure ou d'un mélange de ces deux structures. La teneur en nickel peut atteindre 5% mais en pratique et compte tenu du coût de cet élément, la teneur sera de préférence inférieure à 4% et mieux encore inférieure à 3,5%. - moins de 0,3% et mieux moins de 0,15% et mieux encore moins de 0, 09% de chrome. Cet élément carburigène n'est pas souhaité. En effet, il est susceptible de former des carbures assez massifs qui n'ont pas d'effet particulièrement favorable sur les propriétés de l'acier selon l'invention. De ce fait, si il était en quantité trop élevée, il consommerait du carbone qui ne serait alors plus disponible pour former des carbures durcissants avec d'autres éléments carburigènes forts formant des carbures durcissants, fins et dispersés. - des éléments carburigènes forts qui forment des carbures précipités fins et durcissants. Ces éléments sont le molybdène et le tungstène d'une part, le vanadium, le niobium et le tantale d'autre part. Pour ces éléments, la somme pondérée [Mo + W/2 + 3 (V + Nb/2 + Ta/4)] devra être d'au moins 0,30%, et mieux de 0,35% et mieux encore de 0,4%. Cette somme ne devra pas être trop élevée pour limiter les conséquences défavorables sur la ténacité et l'homogénéité du métal, ce qui résulterait de teneurs au-delà de ce qui est nécessaire au durcissement souhaité. De ce fait, la somme pondérée d'élément carburigène fort restera inférieure à 0,89% et mieux inférieure à 0,69% et mieux encore inférieure à 0,59%. Par ailleurs, le molybdène et le tungstène sont préférables car le vanadium, le niobium et le tantale présentent un effet fragilisant notable. Aussi, la somme pondérée V + Nb/2 + Ta/4 restera inférieure à 0,004%, le niobium étant plus nocif pour la ténacité que le vanadium, sa teneur sera limitée à 0,004%, et de préférence, les éléments vanadium, niobium et tantale seront à l'état de traces. En revanche la teneur en molybdène sera au minimum de 0,15% et mieux encore de 0,30% et mieux encore de 0,45%. Le molybdène peut être préféré au tungstène car il est d'usage plus courant et ordinairement plus économique que le tungstène. Cependant le tungstène présente l'avantage de réduire la formation de zones ségrégées ayant des effets défavorables sur la ténacité du métal, ainsi il sera, malgré tout, préférable d'avoir une teneur en tungstène supérieure à 0,11%. - moins de 0,45% et mieux, moins de 0,25% de cuivre afin de ne pas détériorer la forgeabilité et de favoriser l'aptitude au formage ultérieur des tôles. - jusqu'à 0,10% d'aluminium et de préférence moins de 0,040%, mais de préférence plus de 0,004% et mieux plus de 0,010%, afin de désoxyder l'acier et de former des nitrures d'aluminium qui permettent de contrôler le grossissement du grain lors du traitement thermique. - préférentiellement la teneur en azote sera comprise entre 0, 0010% et 0, 0150% afin de faciliter la formation de nitrures d'aluminium permettant de contrôler le grossissement du grain; la teneur en azote peut dépasser 0,0150%, toutefois, il est souhaitable que cette teneur ne dépasse pas 0, 0300% et mieux, ne dépasse pas 0,0200% afin de ne pas nuire à l'aptitude au formage à froid ou à tiède des produits. - éventuellement jusqu'à 0,04% de titane, élément qui a un effet comparable à celui de l'aluminium. Toutefois, le titane ayant tendance à former des précipités très fragilisants, il est préférable de limiter la teneur en cet élément à des traces. Le reste de la composition est constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration. Parmi ces impuretés, le bore doit rester à l'état de traces c'est-à-dire en des teneurs inférieures à 0,0005%. Ceci afin d'éviter l'effet fragilisant qu'exerce cet élément et ses composés sous forme de nitrures ou carbures. Bien que le Bore soit un élément couramment utilisé pour renforcer la trempabilité des aciers à haute limite d'élasticité, le très haut niveau de résilience recherché ici conduit à éviter d'utiliser la contribution du Bore. Egalement, parmi les impuretés, le phosphore et le soufre doivent être limités à des teneurs telles que la somme P + S reste inférieure à 0, 015% et de préférence inférieure à 0,012% et mieux encore inférieure ou égale à 0,009% afin de ne pas détériorer la ténacité de l'acier. En outre, afin de permettre d'obtenir les caractéristiques mécaniques suffisantes et notamment la limite d'élasticité et la résistance, la composition chimique de l'acier doit être telle que la grandeur R = 540 x C '25 + 245 [Mo + W/2 + 3(V + Nb/2 + Ta/4)] '3 soit comprise entre 410 et 460 et de préférence entre 425 et 450. Pour fabriquer des tôles ou des pièces destinées à la fabrication de sousmarins, on élabore l'acier de façon connue, par exemple au four électrique, puis on coule l'acier sous forme de lingots ou de brames selon la nature des pièces que l'on veut réaliser. Puis on met en forme par déformation plastique à chaud, c'est-à-dire par laminage ou par forgeage, les lingots ou les brames en les réchauffant à une température telle que le début de la transformation à chaud se fasse à une température supérieure à 1000 C et mieux supérieure à 1050 C et mieux encore supérieure à 1100 C, afin de limiter les défauts de surface. Mais, préférentiellement, cette température reste inférieure à 1260 C et, mieux, inférieure à 1220 C, afin notamment de limiter le grossissement excessif du grain à ce stade. Après l'opération de mise en forme par déformation plastique à chaud, les pièces obtenues sont soumises à un traitement thermique de qualité comportant une opération de trempe soit à partir de la chaude de formage, soit, préférentiellement, après réausténitisation à une température au moins égale à AC3 et habituellement comprise entre 860 et 950 C environ. Le refroidissement étant réalisé selon tous moyens de trempe tels que air, huile ou eau, selon la massivité des pièces considérées, sachant qu'on vise avant tout à obtenir après trempe une microstructure essentiellement martensitique. La trempe est suivie d'au moins un revenu réalisé de préférence à une température comprise entre 550 C et 670 C. Par ce procédé, on obtient des tôles ou des pièces forgées dont les caractéristiques mécaniques dans toute l'épaisseur sont conformes à ce qui est recherché pour la fabrication de sous-marins, à savoir, une limite d'élasticité comprise entre 480 MPa et 620 MPa et de préférence entre 500 MPa et 600 MPa, et une ténacité charpy Kcv à -60 C supérieure à 50 J. L'effet de la composition chimique sur l'aptitude au soudage a été déterminé ou a été illustré par les exemples dont les analyses sont reportées aux tableaux 1 et 2. Pour les exemples des tableaux, le niobium et le titane sont à l'état de traces avec des teneurs inférieures à 0, 003% ; le bore est à l'état de trace avec une teneur inférieure à 0,0005% ; l'aluminium est compris entre 0,015% et 0,025%. Dans le tableau 1, la somme P + S est exprimée en 10-3%. Dans le tableau 2, la somme P + S reste inférieure à 0,015%. Les exemples 1 et 2 sont selon l'art antérieur, et les exemples 3 à 9 et 6bis à 9bis sont conformes à l'invention. L'exemple 10 est donné à titre de comparaison. Tableau 1 n C Si Mn Ni Cr Mo 1 0,092 0,300 0,550 3,000 0,060 0,270 2 0,083 0,400 0, 800 3,000 0,070 0,160 3 0,069 0,320 0,900 3,200 0,080 0,320 4 0, 062 0, 350 0,920 3,100 0,090 0,320 0,055 0,320 0,510 3,250 0,130 0,210 6 0, 049 0,280 0,920 3,300 0,095 0,395 7 0,043 0,300 0,580 2,950 0,085 0,470 8 0, 035 0,290 0,980 3,100 0,095 0,590 9 0,030 0,320 1,010 2,950 0,120 0,555 0, 023 0,300 0,960 3,150 0,090 1,015 Tableau 1 (suite) n W V Cu p+s (Mo+v/2)+3 Re!Vina 85 C (J) 1 tr 0,003 0,250 9 0,279 575 205 2 0,115 0,024 0,150 8 0,291 570 135 3 tr 0,003 0,150 11 0,329 565 210 4 tr 0,001 0,180 9 0,323 545 230 0,240 0,002 0,250 7 0,336 560 225 6 tr 0, 003 0,160 8 0,404 570 260 7 tr 0,001 0,180 7 0,473 570 260 8 tr 0, 002 0, 200 9 0,596 565 275 9 0,360 0,003 i 0,210 6 0,744 570 280 tr 0,002 0,210 8 1,021 570 295 Tableau 2 n C Si Mn Ni Cr Mo W V Cu (Mo+W/2) Re Kv - +3V 85 C (J) 6bis 0, 050 0, 120 0,920 3,300 0,095 0,400 tr 0,003 0,160 0,409 570 250 7bis 0,044 0,110 0,560 3,000 i 0,465 tr 0,002 0,210 0,471 580 275 Î 0,080 8bis 0,036 0,120 0,980 3,250 0,095 0,600 tr 0,004 0,220 0,612 575 260 9bis 0,030 0, 130 1, 100 3,100 0,110 0,720 tr 0,003 0,200 0,729 570 280 Les exemples 1 à 9 illustrent l'effet combiné de la teneur en carbone et des éléments fortement carburigènes pour des teneurs habituelles en silicium. Les exemples 6bis, 7bis, 8bis et 9bis montrent l'effet particulier du silicium. L'effet sur la soudabilité a été déterminé par un essai par lequel on détermine la température minimale de préchauffage du joint soudé autobridé pour laquelle on ne voit pas apparaître de fissuration après soudage. Cet essai consiste à réaliser des cordons de soudure avec des températures de préchauffage de 150 , 125 , 100 , 75 , 50 , 25 , 5 et à observer les joints obtenus pour détecter la présence ou l'absence de fissures. Ces résultats sont représentés à la figure 1 sur laquelle on voit une première courbe 1 qui représente l'évolution de la température minimale de non-fissuration en fonction de la teneur en élément carburigène fort pour une teneur en silicium de l'ordre de 0,3%. On constate sur cette courbe que, lorsque la teneur en élément carburigène fort augmente et simultanément la teneur en carbone diminue, jusqu'à une teneur en élément de carburigène fort de l'ordre de 0,8%, la température minimale de non-fissuration décroît. Au-delà de 0,8%, la température minimale de non-fissuration se remet à augmenter. Un examen micrographique au droit des fissures des coulées 9 et 10 qui correspondent aux plus fortes teneurs en élément carburigène fort, montre que les fissures apparaissent dans des zones ségrégées dont la dureté se révèle particulièrement élevée malgré une teneur en carbone relativement faible. Cette dureté élevée des zones ségrégées résulte probablement d'une coségrégation du carbone et des éléments carburigènes forts. Au vu de cette courbe, il apparaît qu'on obtient un optimum de soudabilité pour des teneurs en éléments carburigènes forts comprises entre 0,6% et 0,8%. La courbe 2, qui correspond à des aciers ayant des compositions comparables mais avec une teneur en silicium beaucoup plus faible que le cas précédent, montre que, lorsque la teneur en silicium baisse, la température minimale de non-fissuration est abaissée de 20 C à 25 C. Cet effet du silicium peut être attribué à l'effet du silicium sur la conductibilité thermique. En effet, le silicium dégrade de façon significative la conductibilité thermique de l'acier et par conséquent réduit les gradients de températures dans la zone affectée par la chaleur, ce qui a pour effet de réduire les contraintes. La conductibilité thermique des coulées 6bis à 9bis, a été mesurée. Elle est supérieure d'environ 10% à celle des coulées 6 à 9 qui leur sont comparables. Avec l'acier selon l'invention on a réalisé des pièces de coques de sousmarins qui sont par exemple des pièces découpées dans des tôles d'épaisseur comprise entre 40 et 60 mm ou des pièces forgées telles que des pièces de raccordement dont les épaisseurs significatives qui peuvent atteindre 100 à 150 mm. Avec ces pièces dont les caractéristiques ont été indiquées précédemment on a réalisé des portions prototypes pour coques de sous-marins en assemblant ces pièces par soudage sur des chantiers à l'air libre, la température extérieure pouvait atteindre 0 C. Ces pièces ont été soudées de façon satisfaisante sans préchauffage, ou avec un préchauffage inférieur à 25 C. Noter qu'avec le procédé électrode enrobée habituellement préconisé pour les opérations de soudage considérées ici, les précautions d'usage destinées à limiter la teneur en hydrogène introduit doivent autant que possible respectées: stockage à sec et étuvage préalable des électrodes. Le type d'électrode utilisé dans les essais correspond à E55 2NiMo selon norme EN 757. Noter également que le procédé MIG fil plein, par nature, n'introduisant pratiquement pas d'hydrogène, est à privilégier dans la mesure du possible. On pourra alors choisir un fil de type G55 Mn4Ni2Mo selon norme EN 12534. Ces indications ont ici valeurs de conseil non limitatif. REVENDICATIONS 1. Acier pour la fabrication de coques de sous-marins, caractérisé en 5 ce que sa composition chimique comprend, en % en poids: 0,030% C _ 2,7% 10. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que: 30 Mo s 0,75% 11. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que: C 0,055% 12. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que: 0,030% C 13. Pièces de coque de sous-marin, d'épaisseur comprise entre 15 mm et 150 mm, en acier forgé ou laminé, trempé et revenu, selon l'une 20 quelconque des revendications 1 à 12. 14. Coque de sous-marin comprenant des pièces selon la revendication 13, assemblées par soudage. 15