Brevet FR2904636A1 — publié le 20080208

--> ALLIAGES AUSTENITIQUES POUR LA PRODUCTION DE PRODUITS MANUFACTURES FONDUS OU CENTRIFUGES La présente invention concerne les alliages austénitiques pour la production de produits manufacturés fondus ou centrifugés. La présente invention concerne en particulier des alliages de matrice austénitique de qualité supérieure dont la structure est équilibrée afin de pouvoir garantir des valeurs de résistance mécanique supérieures, sans préjudice de toutes les autres caractéristiques des matériaux austénitiques. Les aciers inoxydables austénitiques sont largement appliqués en raison de leurs caractéristiques particulières de résistance à la corrosion, surtout dans les variantes contenant Mo (aciers de type AISI 316/316L) . Du point de vue des propriétés mécaniques, la matrice austénitique confère au matériau une ductilité élevée à la température ambiante et une haute résilience à basse température ; les propriétés de résistance mécanique à la température ambiante sont en revanche limitées, du fait de la structure proprement dite, à des valeurs relativement basses, en particulier dans les structures de fusion où il n'est pas possible d'obtenir d'augmentations dues à des déformations à froid. Celles-ci se situent typiquement à des valeurs de 200/220 N/mm 2 . Ces valeurs limitent dans de nombreux cas l'utilisation possible des alliages. En outre, dans toutes ces applications à basse température, une -->résistance mécanique supérieure est toujours souhaitable, laquelle permettrait un dimensionnement plus léger et donc plus économique des structures. Pour pallier ce problème, on a proposé des aciers à double matrice austéno-ferritique ; ceux-ci pourraient fournir, moyennant des coûts plus élevés, des valeurs de résistance mécanique plus élevées (jusqu'à 450/500 N/mm 2 ). Toutefois, leur résilience limitée à basse température en déconseille l'utilisation en dessous d'une température de -50/60°C. Se pose alors le problème de l'amélioration des caractéristiques des alliages existant dans des secteurs très importants tels que la cryogénie et le transport cryogénique de gaz naturel. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes abordés ci-dessus et de réaliser des aciers ayant les caractéristiques requises. Cet objet est atteint par la présente invention qui concerne des alliages austénitiques tels qu'un alliage pour acier inoxydable austénitique, caractérisé en ce qu' il présente la composition suivante : Elément Intervalle de composition (% en poids) Fe Le reste C 0,005 à 0,080 Cr 19,5 à 22,0 Ni 7,5 à 11,5 Mo 2,0 à 3,5 Si 0 à 2,0 Mn 0 à 2,0 --> N 0,08 à 0,20 Impuretés L'invention concerne en outre un procédé de réalisation des alliages austénitiques susmentionnés caractérisé en ce qu' il consiste à préparer un alliage ayant une composition donnée et à soumettre ledit alliage à un traitement de solubilisation qui prévoit de porter ledit alliage à une température de solubilisation comprise entre 1120°C et 1160°C pendant un temps t, où le temps t est le temps le plus long choisi entre 3 heures de traitement et un traitement de 60 minutes par pouce d'épaisseur dudit acier, opération suivie d'une trempe rapide dans de l'eau à une température inférieure à 25°C. Une étude précise de la structure des aciers austénitiques fondus et une longue période de tests et de production pilote ont en effet permis la réalisation des alliages austénitiques selon la présente invention. Ces alliages présentent de manière surprenante des valeurs de limite élastique (la valeur significative pour le dimensionnement mécanique) augmentées de 50 % par rapport aux valeurs des alliages standard. Dans la pratique habituelle de la fonderie pour les aciers inoxydables, il est possible d'exploiter tout l'intervalle de composition normalisé pour les différents alliages, à partir du moment où il ne faut pas préserver les propriétés technologiques, telles que la capacité de déformation à chaud ou à froid, que l'on demande aux composants laminés ou forgés. --> Il convient cependant de garantir la préservation de toutes les propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion et de soudabilité définies dans les codes de référence . II est connu que, pour les aciers austénitiques contenant du molybdène (type 316/316L) , à savoir ceux normalement utilisés dans l'industrie de la transformation, tant de la chimie que du pétrole et du gaz, on peut utiliser deux mécanismes pour accroître les propriétés mécaniques (principalement des limites élastiques à 0,2 % et à 1 %) : - l'alliage avec des éléments interstitiels, en premier lieu l'azote (N) , qui, en déformant le réseau cristallin, ont pour effet d'élever la résistance spécifique du matériau ; cette méthode est normalement appliquée à la production de ces aciers en version laminée (déformée à chaud) , car elle est relativement économique et simple ; - le déséquilibre des phases, qui crée dans les produits manufacturés fondus des teneurs croissantes en ferrite delta, qui est une phase caractérisée par une résistance mécanique supérieure ; ce déséquilibre est obtenu en augmentant les teneurs des éléments ferritisants (Cr/Mo/Si) . Les deux méthodes visées ci-dessus ont malheureusement tendance à s'annuler l'une l'autre, à cause surtout du potentiel austénitisant élevé de l'élément azote, à l'augmentation duquel correspond donc une réduction du pourcentage de ferrite delta à l'équilibre thermodynamique. --> La composition et le procédé selon l'invention se traduisent par deux effets d'augmentation de la limite élastique adaptés par les deux méthodes qui permettent d'obtenir une augmentation nette d'environ 50/60 N/mm 2 pour chacun des deux effets. Plus particulièrement, on obtient les avantages suivants dans le cas où la composition chimique serait modifiée de manière opportune : limite élastique à 0,2 % conventionnelle supérieure à 300 N/mm 2 par rapport aux 200 N/mm 2 typiques des structures austénitiques fondues standard ; charge de rupture augmentée à des valeurs typiques de 570/580 N/mm 2 par rapport aux 480/520 N/mm 2 des structures standard ; - ductilité équivalente en tout point aux meilleures structures austénitiques ; valeurs de résilience à basse température typiques des structures austénitiques, avec une transition s'effectuant à pas plus de -150°C, et la possibilité d'utiliser ces matériaux dans l'industrie du gaz liquéfié ; - présence de teneurs contrôlées de ferrite dans la matrice (10/20 %), qui contribuent à l'effet de résistance ; - isotropie totale des propriétés mécaniques dans les produits manufacturés tant fondus que centrifugés : les valeurs susmentionnées sont équivalentes et peuvent être obtenues dans les trois directions spatiales (longitudinale, tangentielle, radiale) ; --> tendance à la sensibilisation à haute température (plus de 500°C) équivalente en tout point aux meilleures structures austénitiques ; - coût de production équivalent en tout point à celui des alliages de base non modifiés. Selon la présente invention, les alliages austénitiques revendiqués présentent une teneur en carbone comprise dans l'intervalle entre 0,005 % et 0,080 % en poids, de préférence entre 0,01 % et 0,07 % en poids. La composition des alliages selon l'invention est la suivante : Elément Intervalle de composition (% en poids) Fe q. s .p . 100 C 0,005 à 0,080 Cr 19,5 à 22,0 Ni 7,5 à 11,5 Mo 2,0 à 3,5 Si 0 à 2,0 Mn 0 à 2, 0 N 0,08 à 0,20 De préférence, la teneur en carbone est comprise entre 0,010 et 0,070. A l' inférieur de ces intervalles, on peut identifier deux types d'alliages différents qui diffèrent l'un de l'autre au niveau de la teneur en carbone : le premier avec une teneur en carbone standard (0,030 -->en carbone typique ( Selon la présente invention, le produit ayant les compositions susmentionnées est soumis à un traitement de solubilisation qui prévoit de porter l'alliage à une température comprise entre 1120°C et 1160°C pendant un temps t, où le temps t est le temps le plus long choisi entre 3 heures et 60 minutes par pouce d'épaisseur, opération suivie d'une trempe rapide dans de l'eau à une température inférieure à 25°C. De préférence, la température de solubilisation est comprise dans l'intervalle entre 1120 et 1140°C et, mieux encore, est de 1130°C. Ce traitement est intégré à un cycle de traitement thermique préférentiel rapporté ci-après : Température Temps de maintien ou montée (descente) Ambiante à 600°C Montée de 600°C/heure 600 °C Maintien pendant 60 minutes 600°C à 1000°C Montée de 150°C/heure 1000°C Maintien pendant 60 minutes 1000°C à 1130°C Montée de 90°C/heure 1130°C Maintien pendant 3 heures ou 60 minutes par pouce d'épaisseur (la plus grande des deux valeurs) 1130 °C - temp. Par une trempe rapide ( --> Les exemples suivants définissent des compositions nominales, des statistiques moyennes de production et des écarts types sur chacun des éléments : Exemple 1 Elément Intervalle de Valeur moyenne Ecart type composition de proiduction C 0,030 à 0,070 0,049 0,0051 Cr 20,0 à 21,0 20,58 0,22 Ni 8,0 à 11,0 9,30 0,35 Mo 2,0 à 3,0 2,34 0,06 Si Mn N > 0,10 0,159 0,013 Exemple; 2 - acier à faible teneur en carbone Elément Intervalle de Valeur me >yenne Ecart type compiosition de proiduc :tion C 0,0C5 à 0,030 0,049 0,0051 Cr 20,0 à 21,0 20,58 0,22 Ni 8,0 à 11,0 9,30 0,35 Mo 2,0 à 3,0 2,34 0,06 Si Mn N > 0,10 0,159 0,013 Les propriétés obtenues statistiquement sur la production pilote pour les alliages selon les exemples 1 et 2 sont rapportées dans le tableau suivant. Les -->valeurs ont été déterminées au moyen de 43 coulées pilotes pour l'exemple 1 et de 29 coulées pilotes pour l'exemple 2. Propriétés mécaniques Elasticité Exemple 1 U.T.S. > 550 N/mm 2 (moyenne 604 N/mm 2 , écart type 8 , 5 N/mm 2 ) Limite élastique 0,2 % > 300 N/mm 2 (moyenne 318 N/mm 2 , écart type 7, 3 N/mm 2 ) Allongement > 35 % (moyenne 43,4 %, écart type 6,2 %) Striction > 50 % (moyenne 58 %, écart type 4,5 %) Dureté 140/220 HB (moyenne 165 HB, écart type 18,5 HB) Isotropie complète de toutes les propriétés dans les trois directions perpendiculaires 20°C > 150 J (moyenne 195 J, Exemple 2 U.T.S. > 550 N/mm 2 (moyenne 602 N/mm 2 , écart type 12 , 6 N/mm 2 ) Limite élastique 0,2 % > 300 N/mm 2 (moyenne 313 N/mm 2 , écart type 6, 8 N/mm 2 ) Allongement > 35 % (moyenne 46,2 %, écart type 5,9 %) Striction > 50 % (moyenne 64 %, écart type 6,1 %) Dureté 140/220 HB (moyenne 155 HB, écart type 9,5 HB) Isotropie complète de toutes les propriétés dans les trois directions perpendiculaires 20°C > 150 J (moyenne 205 J, --> écart type 23 J) écart type 27 J) -46°C > 120 J -46°C > 120 J (moyenne 162 J, (moyenne 175 J, écart type 18,2 J) écart type 21,0 J) -101°C > 70 J -101°C > 70 J (moyenne 125 J, (moyenne 137 J, écart type 15,5 J) écart type 18,2 J) Température de Température de transition de transition de résilience voisine résilience voisine de -160/170°C de -155/165°C Teneur en 8/20 % (moyenne 10/22 % (moyenne ferrite 15 %, écart type 16,5 %, écart type delta 4,5 %) 4,8 %) Traitement Solubilisation à Solubilisation à thermique 1130°C, suivie 1130°C, suivie d'une d'une trempe rapide trempe rapide dans dans de l'eau en de l'eau en mouvement mouvement La norme de référence pour la détermination des propriétés mécaniques est la norme ASTM A370. Les données rapportées ci-dessus montrent comment le nouveau type d'alliages austénitiques selon la présente invention peut être produit à l'échelle industrielle avec des qualités et des caractéristiques reproductibles, présente une augmentation sensible des propriétés mécaniques et conserve toutes les caractéristiques technologies, telles que l' usinabilité et la soudabilité, qui sont requises des alliages austénitiques . --> Cette augmentation des caractéristiques de l'alliage selon l'invention est extrêmement intéressante du point de vue de l'utilisateur, car elle permet un dimensionnement mécanique beaucoup plus léger sur des structures dont les coûts spécifiques sont élevés, telles que les plates-formes d'extraction de pétrole et de gaz naturel et/ou les appareils de transmission ou de traitement de ces substances. En outre, il apparaît particulièrement avantageux d'utiliser les alliages selon l'invention dans des produits manufacturés fondus, tels que les corps de vanne ou de pompe, et surtout dans les pièces centrifugées, telles que les conduites (tubulures) de grande épaisseur, les billes ou les anneaux de siège dans les clapets à bille. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. --> REVENDICATIONS 1. Alliage pour acier inoxydable austénitique, caractérisé en ce qu'il présente la composition suivante : Elément Intervalle de composition (% en poids) Fe Le reste C 0,005 à 0,080 Cr 19,5 à 22,0 Ni 7, 5 à 11,5 Mo 2,0 à 3,5 Si 0 à 2,0 Mn 0 à 2 , 0 N 0, 08 à 0,20 Impuretés 2. Alliage austénitique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend les éléments suivants selon les pourcentages indiqués : Elément Intervalle de composition (% en poids) C 0,010 à 0,070 Cr 20,0 à 21,0 Ni 8,0 à 11, 0 Mo 2, 0 à 3,0 Si Mn N 0,10 à 0,18 --> 3. Alliage austénitique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les éléments suivants selon les pourcentages indiqués : Elément Intervalle de composition (% en poids) C 0, 020 à 0,029 Cr 20,40 à 21,0 Ni 8,80 à 9,70 Mo 2,25 à 2,75 Si 0,7 à 1,0 Mn 0, 8 à 1,2 N 0, 14 à 0, 18 4. Alliage austénitique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' il comprend les éléments suivants selon les pourcentages indiqués : Elément Intervalle de composition (% en poids) C 0,030 à 0,060 Cr 20,30 à 21,00 Ni 8,80 à 9,70 Mo 2, 15 à 2,55 Si 0,7 à 1,1 Mn 0,7 à 1,2 N 0,14 à 0,17 5. Alliage austénitique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il -->présente une limite élastique à 0,2 % supérieure à 300 N/mm 2 . 6. Alliage austénitique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il présente une valeur de résistance limite à la rupture (UTS) supérieure à 550 N/mm 2 . 7. Procédé de production d'acier inoxydable austénitique caractérisé en ce qu' il comprend les étapes cons Lstant à préparer un alliage ayant une composition selon l'une des revendications précédentes et à soumettre ledit alliage à un traitement de solubilisation qui prévoit de porter ledit alliage à une température de solubilisation comprise entre 1120 °C et 1160 °C pendant un temps t, où le temps t est le temps le plus long choisi entre 3 heures de traitement et un traitement de 60 minutes par pouce d'épaisseur dudit acier, opération suivie d'une trempe rapide dans de l'eau à une température inférieure à 25°C. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ce traitement est intégré à un cycle de traitement thermique qui comprend les phases suivantes : une montée de la température ambiante à 600 °C avec une rampe de montée de 600°C/heure ; un maintien à 600°C pendant 60 minutes ; une montée à 1000°C avec une rampe de 150°C/heure ; un maintien à 1000°C pendant 60 minutes ; une montée de 1000 °C à ladite température de solubilisation comprise entre 1120 et 1140°C avec une rampe de 90°C/heure ; un maintien à ladite température de solubilisation pendant un temps t choisi entre le temps le plus long entre 3 heures et 60 minutes par pouce d'épaisseur, et une descente de ladite -->température de solubilisation à la température ambiante par une trerrpe rapide. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel ladite trempe est effectuée dans un laps de temps inférieur à 25 secondes dans de l'eau en mouvement à une température inférieure à 20°C. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel ladite température de solubilisation est comprise dans l'intervalle entre 1120°C et 1140°C. 11. Produit manufacturé, réalisé avec un acier austénitique produit selon l'une des revendications 7 à 10. 12. Produit selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est obtenu par fusion ou centrifugation .