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13~03~
La présente invention a pour objet un acier
.inoxydable austéno-ferritique.
On connait des aciers lnoxydables austéno-
ferritiques ayant de bonnes proprietés mecaniques, une
bonne résistance à la corrosion et une bonne soudabi-
:Lité.
De tels alliages comprennent, outre le fer
qui constitue le solde, du
-- chrome et du molybdène de façon à améliorer les
propriétés résistance à la corrosion ;
~- nickel et azote de façon à améliorer la stabilité de
la phase austénitique ;
-- carbone en faible pourcentage car il affecte la ré-
sistance à la cor:rosion compte tenu de sa faible solu-
bilité dans la fe:rrite ;
~- silicium ;
-- manganese.
La d~nande de brevet EP-A-0.15~.778 pubLiée le 2 octobre 1985 décrit
alinsi un alliage ti acier inoxydable austéno-ferritique
clont la phase auslénitique reste stable autorisant des
dléformations à froid entre 10 et 30 ~/, une bonne sou-
dabilité et une bonne resistance à la corrosion.
La composition d un tel alliage est la sui-
~ante :
C < 0,06 en poids
Si < 1,5
Mn < ~,0
21 < Cr < 24,5
2 < N:L < 5, 5
O, 0 1 < MO < 1, O
O, 05 < N < O, 3
0,01 < ~ < 1,0
le solde étant du Fe, le<; composes ci-dessus devant
répondre par ailleurs aux conditlons suivantes :
1 3 ~ 3~
- pourcentage de ferrite ~( entre 15 et 65
- pourcentage de ferrite ~ < 0,20 (% Cr/7. N) ~ 23
- (7. Cr ~ 7 Mn!/7. N > 120.
- 22,~ ~ 7. Cr 1 30 x Z Mn ~ 22 x i! Mo ~ 26 x 7. Cu
110 x i! N > 540.
-- 7. Mo ~ % Cu > 0,15 avec 7. Cu d au moins 0,005 7..
- De tels alliages ont une phase austénitique
stable qui n a pas tendance à se transformer en mar-
1:ensite mais ils sont difficilement usinables et leurs
10 propriétés mécaniques restent faibles.
La présente invention a pour but la réalisa-
tion d un alliage austéno-ferritique dont la tenue à
la corrosion est améliorée par rapport aux alliages
existants et qU~L présente un indice élevé d'usinabi-,
15 lité.
Un tel alliage possède un faible pourcentage
de molybdène mais une forte teneur en cuivre, ce der-
nier étant mis en solution par traitement thermique
au-dessus de 900 C, la composition de cet alliage
20 étant la suivante, exprimée en pourcentage en poids.
C < 0,06
Sl < 1,2
Mn < 3
21 < Cr < 25
3 < Nl < 6
0,06 < N < 0,30
Mo < 1
< Cu < 3,5
le solde étant du Fe. La composition est équilibrée
30 pour obtenir entre 3~ et 70 7. de ferrite à 300 K.
D'autres avantages et caractéristiques ap-
paraitront à la lecture de la descrlption qui va sui-
vre de modes de realisation particullers de 1 alliage
13~003~
selon l'invention, la figure unique annexée représentant
les clomaines de durcissement de l'alliage dans un diagramme
temp-, température.
Deux alliages particuliers A et B sont analysés
'i comparativement à des alliages de composition connue,
notamment l'UNS 32304 correspondant à l'alliage décrit dans
la demande de brevet EP 0.156.778.
C Si Mn Ni. Cr Mo Cu N
1~
A 0, 020, 6 l, 9 4, 1 23, 5 0, 13 1, 60- 0, 1
1~ 0, 0 20, 5 2 3, 92 ~, 3 0, 1 1~ 2, 8 0, 0 9
AISI 30~.L 0,020,6 i,3 lO 18,2 0,03 0,02 0,05
AISI 316 0,0250,5 1,5 11,5 t 7,5 2,3 0,03 0,05
UNS 3230~ 0, 02 0, 5it a ~. 2 23 0, 13 0, 127 0, 123
UNS 31~03 0, 02 0, 51, 7 5, 7 21, 9 2, 75 0, 1:~5 0, 120
Dans le ta~bleau ci-dessus, on a récapitulé les
compositions en éléments d'addition au Fe pour les alliages
A et B selon l'invent:ion et les alliages connus.
Un autre objet de la présente invention est un
procédé de fabrication des aciers inoxydables selon
l'invention caractérLsé en ce que, après solidification,
on fait subir à ces aciers un traitement thermique de mise
en solution du Cu consistant en un chauffage et un maintien
au-clessus de 900~C, suivi d'un refroidissement rapide.
De préférence, les alliages de l'invention sont
réalisés par fusion jusqu'à 1600~C minimum et réchauffés à
1180~C envirorl aprè~ solidification. Ils subissent un
laminage en tôles. Des prélèvements sont effectués afin de
déterminer la stabilité structurale en fonction des
traitements thermiques et plus particulièrement le
durcissement, les caractéristiques mécaniques et physiques,
13~0~33
3a
la résistance à la corrosion ainsi que l'aptitude à
l'usinabilité.
Au préalable, il est nécessaire d'étudier
l'influence des différents éléments d'addition.
!, Le carbone est réduit à de faibles teneurs
i /
~3 10~3~
Ol 0,06 7. afin de réduire les rlsques de formation de
carbures au cou:rs des traitements thermiques ce qui
C5erait pré~udiciable a la résistance à certaines for-
mes .de corrosion.
L.e silicium est réduit à de faibles teneurs inférieu-
res à 1,2 '~ afin de réduire les risques de formation
cle composés intermetalliques qui fragilisent l'allia-
qe.
Le manganèse permet d augmenter la mise en solution
solide de l azote dans 1 alliage mais sa teneur doit
etre limitée à 3 i' pour ne pas devenir préjudiciable à
la tenue à la corrosion généralisée et localisée dans
c:ertalns cas.
Le chrome est cont:rolé de façon à ce que les fractions
volumiques des F~hases ferritiques et austénitiques
soient voisines. Une teneur trop faible ne permet pas
d obtenir une fralction volumique de ferrite suffisan-
te.
Une teneur trop élevée peut necessiter des
additions importantes de nickel et d azote, ce qui,
compte tenu du prix du nickel, doit etre évité. De
plus, l alliage a une tendance accrue à la précipita-
tion de phases intermétalliques fragilisantes lors des
traitements thermi.ques.
Aussi de facon classique on utilise des te-
neurs en chrome comprises entre 21 et 25 ~, plus exac-
tement une teneur de 23,5 ~. A un tel pourcentage,
r alliage a une excellente resistance à la corrosion.
Une telle teneur en ch:rome associée à une
faible teneur en nickel et molybdène permet d éviter,
meme pour des traitements thermiques de quelques heu-
res, la formation d une phase~ , par démixtion de la
phase ~ , durcissante et fragllisante. La formation
d une telle phase ~ intervient Lors de traitements
13~003~
l:hermiques entre 300 et 500 C.
Ie nickel est un l~lément qui stabilise la phase austé-
nitique de façon à optlmlser l equilibre austénite/
ferrlte. Compte tenu de son prix on limite son addi-
1:ion entre 3 et 6 ~ plus particulièrement 4,2 Z.
I. azote intervient pour maintenir l'equllibre austéni-
1:e/ferrite et de plus une telle addition permet d ac-
c,roitre les caractéristiques mécaniques et la tenue à
:La corrosion par piqures. L addition de 1 azote est
limitee à 0,30 et souvent voisine de 0,13 %.
Le molybdène est limité à un pourcentage de
l ~ maximum de façon a réduire les couts de
1'abrication de l'alliage et à limiter la formation de
phases intermeta:Lllques. Le molybdène améliore la
t.enue à la corros:ion de l'alliage.
Le cuivre, contrairerment aux alliages
c:onnus, est présent dans des pourcentages relativement
importants entre I et 3,5 ~. Cet élément est générale-
ment present en faible quantité dans les alliages
connus car sa solubilité dans les alliages austéno-
ferritiques lors clu refroidssement est limitée.
Par contre, selon l'invention, une mise en
solution par trai.tement thermique à haute température
à des températures supérieures à 950 C est possible.
Cette etape doit; etre suivie d un refroidissement
rapide à 1 ambiante de façon à ce que la structure
austénite/ferrite soit exempte de précipitation et
reste sursaturée en cuivre~ Le cuivre : - augmente la
tenue de l alliage vis-à-vis de certains milieux
acides notamment ].es milieux sulfuriques.
- - améliore l aptitude à l usinabilité.
On a etudié la stabilité structurale de
1 alliage ~ en fonctlon du temps et de la température
ainsi que représenté à la figure en annexe.
3 3 {3 3
Dans l intervalle 300-600-C, un durcissement
important de l'alliage se produit par précipitation de
particules enrichies en cuivre dans la phase ferriti-
~ue de l'alliage.
Ce durcissement est proportionnel pour un
traitement thermique donné à la teneur en cuivre.
Par contre il y a un retard à la précipi-
tation pour les maintiens à 700--900-C du à la
stabilité de la phase ferritique vls-à-vis de la phase
:Lntermétallique. conférée par la très faible teneur en
nnolybdène.
Les propriétés mécaniques sont récapitulées
dans le tableau ci-dessous
Caractérstiques de traction
Dureté
HV5 Re 0,2% Re 1X Rm A Z
MPa MPa MPa X X
-
AISI 304 148 205 260 52051 75
Alliage A 223 449 514660 30,5 50,6
Alliage 0 270 566 639735 17,5 ~B,7
Alliage 9
durci 350 647 7B8 9001B,5 39
Ouant à, l alliage 6 durci, il s agit de
l alliage 6 auquel on a fait sublr un traitement ther-
mique de 5 h à 400 C.
Les alli.ages selon l lnvention possèdent des
propriétés mécaniques améllorées notamment les valeurs
de la llmlte d élasticité conventionnelle (Re 0.2 ~)
et de la llmlte d élasticité à 1 ~~ ~Re 1 %) tout en
1~40030
conservant une valeur de la résillence sur éprouvette
~i entaille.en V (KCV) et une ductilité tAllongennent A)
;ufflsantes .
Quant ;à la dureté, elle augmente sensible-
ment notamment ap:rès traitement thermique.
L indlce d usinabilité des alliages selon
] invention est amélioré de façon notable comparé aux
alliages connus et notamment à l'alliage de la demande
de brevet EP 0.156.776.
Les résultats sont récapitulés dans le ta-
bleau suivant :
HBV 0,500 Nbr trous
m/min pour 500 mm
Alliage A 223 2k 72
ArSI 304L 14~ ~ 33
UNS 3t603 241 16 56
UNS 32304 234 11 33
Les trois paramètres étudlés sont la dureté
Brinnel tHB), l i.ndice d usinabilité pour une vitesse
de coupe de 0,5 m/mn et un essai de perçage en nombre
de trous correspondant à une longueur cumulée de 500mm
tO,5 m).
Les alliages connus ont des valeurs de dure-
té qui encadrent la valeur de dureté de l échantillon
A de l alliage selon l lnventlon et l ensemble des
deux tests d usinabllité montre des performances ne-
~003~
tement supérieures de l alliage A.
~ Les essais de corrosion montrent qUQ lesavantages acquis ne le sont pas au détriment de la ré-
sistance à la corrosion.
Les mesures récapitulées dans le tableau ci-
ciessous ont été obtenues en milleux acides ~H2S0~ à
') O ' C ) .
E corrosion I a2 I p2 E rupture
mV/ecs ~A/cm ~ A~cm mV/ecs
!
UNS 32304 -430 1250 14 250
Alliage A -460 1270 3 ~BO
Alliage ~ -460 Z000 3, B ~iO0
Pour l obtentlon des courbes de polarisation
qui ont conduit à ces résultats, le potentiel de dé-
part est de -6110 mV par rapport à une électrode au
calomel saturé ~ecs~ et pour une vltesse de balayage
de 0,25 mV/sec. Le retour a été realisé pour un cou-
rant de 100~ A jusqu à -1100 mV/ecs.
Le courant de passivation Ip est réduit
tandis que le potentiel de rupture est augmenté ce qui
permet d étendre le domaine d emplol de l alliage
selon l lnvention en matière de potentiel d oxydo ré-
duction.
Cecl est également du au cuivre ce qui est
confirmé par la résistance de l alllage 6 après trai-
tement thermlque dans un m~ eu acide en présence de
1340030
particules abrasives de diamètre 0,5 ; 1,19 et 2,38 mm
-~cf tableau ci-dessous) : -
Résultat de perte de poids (mg) 8 h H2S04 (2N)
ALLrAGE B
UNS 32304 DURCIAISI 304
essai
Statique 25 4 28
essai
dynamique 8 0 8
sans particule
essai
dynamique
particules 34 35 58
0,5 mm
essai
dynamique
,particules97 73 110
1,19 mm
essai
dynamique
particules130 99 136
2,38 mm
.
L alliage selon l inventlon résoud le pro-
b:Lème posé, en améliorant les caractéristiques mécani-
ques, l usinabilité sans que ces améliorations soient
prejudiciables aux qualités de res~stance à la corro-
s:ion.
Les amél.iorations des qual,ites de cet allia-
ge lui sont confér~es par l augmentation du pourcenta-
ge en cuivre et la solubilisation cju la précipitation
partielle de ce de:rnier.
Ces résultats sont remarquables compte-tenu
du fait que les alliages connus notamment UNS 32304
préconisent des ~)ourcentages Cu ~ Mo = 1 % dans un
mcde de réalisatlon préferé.
1~40030
.
1 0
Néanmoins, dans l alliage selon l'invention,
:La~ teneur en Cu doit etre llmitée à 3,5 ~ afin d'évi-
t:er les risques ma~eurs de déchlrures de produits lors
cte la mise en oeuvre.
Dans cette fourchette de 1 à 3,5 X, l homme
cle l art adaptera le pourcentage en fonction de l uti-
lisation de l alliLage.
De meme des additions complémentaires
connues permettent d augmenter l usinabilité telles
que soufre, bismu1:h.
