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CA 02118288 2001-08-21
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ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE Ä HAUTES CARACTÉRISTIQUES
AYANT UNE GRANDE STABILITÉ STRUCTURALE ET UTILISATIONS
La présente invention concerne un acier inoxyda-
ble austénitique à haute résistance mécanique, haute
résistance à la corrosion et très bonne stabilité structu-
rale.
Pour la fabrication d'équipements destinés
notamment à des installations de dépollution de fumées, à
des plates-formes pétrolières, à l'industrie chimique, à
celle de la pâte à papier, on utilise des aciers inoxyda-
bles austénitiques ou superausténitiques à haute résis-
tance mécanique et à haute résistance à la corrosion. Ces
aciers inoxydables contiennent en général de fortes
proportions d' azote et de molybdène. De tels aciers ont
été décrits notamment dans deux brevets européens . EP-A-
0.438.992 et EP-A-0.342.574 et dans la demande de brevet
français FR 2.705.689. Mais ces aciers présentent l' incon-
vénient d'une certaine incompatibilité entre une bonne
tenue à la corrosion et une bonne stabilité structurale.
I1 en résulte par exemple une certaine difficulté à
concilier les opérations de fabrication d'équipements tels
que le soudage ou le formage à chaud et une très haute
résistance à la corrosion de toutes les parties de ces
équipements.
Les aciers inoxydables austénitiques â hautes
caractéristiques mécaniques et haute résistance à la
corrosion connus ont également l'inconvénient de ne pas
pouvoir être utilisés sous forme de pièces massives. En
effet, lors du refroidissement des pièces, l'instabilité
de la structure provoque des précipitations intermétalli-
ques qui détériorent très notablement la résistance à la
corrosion et les propriétés mécaniques de l'acier.
Le but de la présente invention est de proposer
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un acier inoxydable austénitique à hautes caractéristiques
mécaniques et qui présente simultanément une très grande
résistance à la corrosion en milieu chloruré et une très
bonne stabilité structurale.
A cet effet, l'invention a pour objet un acier
inoxydable austénitique à haute caractéristique mécanique,
haute résistance à la corrosion et présentant une grande
stabilité structurale dont la composition chimique com-
porte en poids .
l'acier comporte en poids .
23 % <_ Cr <_ 28
% <_Ni<_28 %
0,5%<_Mn<_6 %
p _ _% < Cu < 5
p % < C < 0,06 %
0% <_Si<_ 1 %
0% <_Nb<_0,5 %
0 % <_ V <_ 0,5 %
p% <_A1<_0,1%
3% <_Mo<_ 8
0, 35 % <_ N <_ 0, 8
0
1 % <_ W < 5 %
le reste étant constitué par du fer et des impuretés liées
à l'élaboration.
Plus préférentiellement encore, la composition
chimique de l'acier comporte en poids .
23 % <_ Cr <_ 26 %
21 % <_ Ni <_ 23
2 % <_Mn<_3,5 %
1% <_Cu<_2 %
0 ~ < C < 0,03 %
0 %<_Si<_0,4
p ~ < Nb < 0,5 %
0 $ < Al <_ 0, 1
4, 5 % <_ Mo <_ 6, 5 %
2~~gzss
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0, 4 $ s N 5 0, 55 $
2 $ < W <_ 3,5 $
le reste étant constitué par du fer et des impuretés liées
à l'élaboration.
De préférence, la composition chimique de
l'acier selon l'invention satisfait la formule suivante
CP = 20 x $ Cr + 0, 3 x $ Ni + 30 x $ Si + 40 x $ Mo +
5 x $ W + 10 x $ Mn + 50 x $ C - 200 x $ N < 710
ce qui assure que la cinétique de précipitation des phases
intermétalliques sera la plus lente possible.
En outre, afin d'obtenir la meilleure résistance
à la corrosion possible, la composition chimique de
l'acier doit vérifier
PRENW = $ Cr + 3 , 3 x $ Mo + 16 x $ N + 1, 7 $ W > 47 .
Enfin et pour obtenir des caractéristiques
mécaniques très élevées, la composition chimique de
l'acier doit, de préférence satisfaire la relation
113 + 16 ( $ Mo + 0, 7 $ W ) + 525 $ N > 420
Suivant l'invention, cet acier peut être utilisé
pour la fabrication de pièces massives. I1 peut également
étre utilisé pour la fabrication d'équipements pour
plates-formes pétrolières massives ou pour la fabrication
d'équipements pour usines chimiques, pour usines de pâte
à papier, d'installations de dépollution ou encore pour la
fabrication de récipients pour le transport de produits
corrosifs, ou enfin, pour la fabrication de coques de
navire. Cet acier peut également servir à fabriquer des
t8les plaquées.
L' invention va maintenant être décrite en détail
mais de façon non limitative.
L' homme du métier connaît les aciers inoxydables
austénitiques qui sont les alliages à base de fer et à
forte teneur en chrome et an nickel qui ont une structure
naturellement austénitique à l'état solide pratiquement à
toute température. Pour la plupart de ces aciers, la
211S2~g
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structure n'est pas 100 $ austénitique au voisinage du
point de solidification mais le devient dès que la tempé-
rature s'abaisse. Pour certains de ces aciers, dits
superausténitiques, la structure est 100 $ austénitique
dès la solidification. Ces aciers sont supposés connus.
Les inventeurs ont constaté de façon inattendue
qu'en ajoutant simultanément à ces aciers des teneurs
élevées en azote : de 0,35 $ en poids à 0,8 $ en poids, et
de préférence de 0,4 $ à 0,55 $ et en tungstène : de 1 $
en poids à 5 $ en poids, et de préférence 2 $ à 3,5 $, on
obtenait tout à la fois de hautes caractéristiques mécani-
ques, une très grande résistance à la corrosion en milieu
chloruré et une très bonne stabilité structurale, c'est-à-
dire une cinétique de précipitation de phases intermëtal-
liques à haute température très lente.
La très bonne stabilité structurale permet de
fabriquer des pièces massives notamment . tôles fortes,
tubes épais, pièces Forgées, pièces moulées ou des assem-
blages soudés dont les propriétés mécaniques et de tenue
à la corrosion sont en tous points, y compris au voisinage
des soudures, excellentes.
I1 est préférable que ces aciers contiennent en
poids, outre l'azote et le tungstène dans les teneurs déjà
citées, les éléments indiqués ci-dessous.
- Chrome : plus de 23 $ pour assurer une bonne résistance
à la corrosion localisée et une bonne solubili-
té de l'azote, moins de 28 $ et de préférence
moins de 26 $ pour limiter les risques de pré-
cipitation de carbures de chrome.
- ~iGk~l : plus de 15 $ et préférentiellement plus de
21 $ pour assurer une solidification austéni-
tique qui garantit une bonne solubilité de
l' azote, pour obtenir une bonne résistance à la
corrosion en milieu sulfurique et pour limiter
la propagation de la corrosion localisée,
2~~szss
moins de 28 % et de préférence moins de 23 %
pour ne pas trop réduire la solubilité de
l'azote, et parce que le nickel est un métal
cher.
5 - ~, : plus de 0,5 % et de préférence plus de 2 %
pour obtenir une solubilité suffisante de
l'azote et pour limiter la susceptibilité à la
fissuration à chaud,
moins de 6 % et de préférence moins de 3,5 %
pour limiter les risques de précipitation de
phases intermétalliques et limiter l'usure des
réfractaires lors de l'élaboration.
- çuivre : de 0 % à 5 % et de préférence de 1 % à 2 % pour
améliorer la résistance à la corrosion en mi
lieu sulfurique et chloruré acide.
- Molv: La teneur pondérale de l'acier en molybdène
doit être de plus de 3 % et de préférence de
plus de 4,5 % afin d'améliorer la résistance à
la corrosion localisée, la solubilité de l'azo-
te, les caractéristiques mécaniques à la tempé-
rature ambiante et à haute température et limi-
ter las risques de fissuration à chaud au sou-
dage ; mais cette teneur doit être de moins de
8 % et de préférence de moins de 6,5 % pour
éviter la formation de ségrégations et la pré-
cipitation de phases intermétalliques.
Les rôles de l' azote et du tungstène sont les
suivants
- L'azote permet d'obtenir des caractéristiques
mécaniques élevées, une bonne tenue à la corrosion locali-
sée, une bonne stabilité structurale ; mais en excès, il
détériore la résilience.
- Le tungstène permet d'obtenir une bonne
résistance à la corrosion en milieux chlorurés acides et
réducteurs, une bonne résistance é la corrosion par
2~ x.8288
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crevasse lorsqu'il est associé au molybdène et à l'azote,
de renforcer les caractéristiques mécaniques à la tempéra
ture ambiante et à haute température ; mais en excès, il
provoque des précipitations défavorables aux propriétés
d'emploi.
De tels aciers contiennent toujours un peu de
carbone, de silicium et d'aluminium. La teneur en carbone
doit être inférieure à 0,06 $ et de préférence inférieure
à 0,03 $ pour éviter la précipitation de carbure aux
joints de grains.
Le silicium et l'aluminium qui ont servi de
désoxydants au cours de l'élaboration sont limités à 1 %
pour le silicium et 0,1 $ pour l'aluminium._
D'autres éléments tels le magnésium, le cérium
ou le calcium pourront être ajoutés comme agents de
désoxydation.
On peut également ajouter jusqu'à 0,5 $ de
niobium et/ou vanadium pour améliorer :Les caractéristiques
mécaniques.
Pour que les propriétés de l'acier inoxydable
selon l'invention soient optimales, la composition chimi-
que doit être ajustée à l'intérieur des fourchettes de
composition de façon que
- les caractéristiques mécaniques soient éle-
vées, pour cela, il faut que
113 + 16 ( $ Mo + 0, 7 $ W ) + 525 $ N > 420
- la résistance à la corrosion localisée soit
maximale et pour cela que
PRENW = $ Cr + 3,3 ($ Mo) + 16 ($ N) + 1,7 (% W)
> 47
- la cinétique de précipitation des phases
intermétalliques soit très lente, ce qu'on obtient si
CP = 20 $ Cr + 0, 3 x $ Ni + 30 x $ Si + 40 x $ Mo +
5 x $ W + 10 x $ Mn + 50 x $ C - 200 x $ N < 710.
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Avec cette composition chimique on obtient un
acier inoxydable austénitique dont la limite d'élasticité
Rp 0,2 % à l'ambiante est supérieure à 420 MPa, et dont la
stabilité structurale caractérisée par la cinétique de
précipitation de phases intermétalliques à 850°C est
supérieure à celles des nuances par ailleurs équivalentes.
I1 en résulte que la résistance à la corrosion n'est pas
affectée par un cycle thermique correspondant à une mise
en oeuvre telle que le soudage, ce qui n' est pas le cas
des aciers selon l'art antérieur.
A titre d'exemple, on a réalisé un acier dont la
composition chimique est la suivante
Cr = 23,7 % C - 0,015 %
Ni = 21, 5 % Mn = 2 %
Mo = 5 % Si = 0, 2 %
N = 0,45 % Nb = 0,02 %
W = 2 % V - 0,15 %
Cu ~ 1,5 % A1 = 0,02 %.
Cet acier présente une limite d'élasticité de
452 MPa, un coefficient de sensibilité à la corrosion par
piq~3re PRENW = 50,8 et un coefficient de sensibilité aux
précipitations CP m 627 si bien que le temps d'incubation
pour la précipitation de composés intermétalliques à 850°C
est de 180 s.
Après hypertrempe, la vitesse de corrosion en
milieu chlorhydrique est de 100 MDJ (mg/dmz/jour) ; après
hypertrempe suivie d'un traitement de sensibilisation par
maintien à 800°C pendant 15 mn, la vitesse de corrosion
dans les mêmes conditions est de 200 MDJ.
Par comparaison, un acier suivant l'art anté-
rieur et de composition
Cr ~~ 24 Mn = 3 Si = 0, 4
Ni m 22 C - 0,01 A1 = 0,02
Mo = 7 Nb = 0, 2
N = 0,45 V - 0,15
''w ~m$z$s
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présente une limite d'élasticité de 461 MPa, un PRENW =
54,3, un CP = 716, un temps d'incubation pour la précipi-
tation de 60 s, une vitesse de corrosion après hypertrempe
de 99 MDJ et une vitesse de corrosion après sensibilisa-
s tion à 850° pendant 15 mn de 980 MDJ.
L'acier selon l'invention est beaucoup moins
sensible à des cycles thermiques de sensibilisation. I1 en
résulte qu'il est possible de réaliser des tôles plaquées
constituées d'une couche d'acier selon l'invention et
d'une couche en acier de construction, dont les propriétés
du placage inoxydable sont comparables aux propriétés
d'une tôle inoxydable massive réalisée dans la même
nuance.
L'acier selon l'invention ayant une grande
stabilité structurale peut être utilisé pour fabriquer
notamment des pièces moulées, des pièces forgées, des
barres laminées, des tôles laminées, des profilés, des
tubes sans soudure et des tubes soudés, en particulier
lorsque ces objets sont massifs, c'est-à-dire lorsqu'ils
sont utilisés sous forme de pièces épaisses c'est-à-dire
d'épaisseur minimale supérieure à 4 mm, notamment lors-
qu'il s'agit de pièces d'épaisseur supérieure à 4 mm et
inférieure à 40 mm ; elles présentent alors une bonne
homogénéité de caractéristiques dans l'épaisseur ; pour
des épaisseurs supérieures à 40 mm, la très bonne stabi-
lité structurale permet de conserver de hauts niveaux de
résilience et de ductilité dans l'épaisseur.
Du fait de ses propriétés mécaniques, de résis
tance à la corrosion, d'aptitude au soudage et à la
fabrication de pièces épaisses, l'acier selon l'invention
peut être utilisé avantageusement notamment pour fabri-
quer
- des tubes, des brides, des collecteurs, des
oléoducs, des gazoducs, des séparateurs, des pompes, des
compresseurs, des échangeurs destinés à être utilisés au
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contact de l'eau de mer ou de fluides contenant des
chlorures et de l'HZS, en particulier pour tout équipement
de procédé ou circuit de sécurité incendie véhiculant de
l'eau de mer sur des plates-formes pétrolières marines,
- des tubes, brides, réservoirs, réacteurs,
pompes, compresseurs et plus généralement toute pièce ou
paroi d'équipement pour l'industrie chimique, la fabrica-
tion de la pâte à papier, l'hydrométallurgie, la dépollu-
tion travaillant au contact de fluides ou d'effluents
corrosifs et notamment lorsqu'il s'agit de corrosion par
des milieux chlorurés acides ; dans l'industrie de la pâte
à papier, sont concernés notamment les filtres de chlora-
tion, les tours de blanchiment en particulier les tours de
blanchiment par le peroxyde d'hydrogène et l'ozone, les
mixeurs, les lessiveurs, les imprégnateurs,
- des citernes pour le transport routier, ferro-
viaire ou maritime de produits corrosifs,
- des coques de navires,
- des équipements travaillant à haute tempéra
ture et notamment des équipements pour la pétrochimie, la
cimenterie, l'incinération d'ordures, les conduites de
fumées, les cheminées.
Ces applications ne sont pas exhaustives et plus
généralement cet acier permet d'obtenir une meilleure
tenue en service qu'avec les aciers de l'art antérieur et
à moindre coût qu'avec des alliages à base nickel pour
toutes les applications .
- en milieu chloruré oxydant,
- en milieu contenant des chlorures et de l'HzS,
- en milieu chloruré acide,
notamment lorsque les pièces réalisées doivent être épais-
ses ou massives ou lorsque la température d'utilisation
est élevée.
